Порошковая проволока для механизированной подводной сварки



Порошковая проволока для механизированной подводной сварки
Порошковая проволока для механизированной подводной сварки
Порошковая проволока для механизированной подводной сварки
Порошковая проволока для механизированной подводной сварки

 


Владельцы патента RU 2595161:

Общество с ограниченной ответственностью "Региональный Северо-Западный Межотраслевой Аттестационный Центр" (ООО "РСЗ МАЦ") (RU)

Предлагаемое изобретение относится к машиностроению и может быть применено при механизированной и автоматической подводной сварке и наплавке металлических деталей. Порошковая проволока для механизированной подводной сварки состоит из стальной оболочки и шихты, содержащей рутиловый концентрат, железный порошок, никель, карбонат щелочного металла, комплексный фторид щелочного металла, и дополнительно содержит раскислители в виде ферромарганца, ферросилиция, ферротитана и алюминия при следующем содержании компонентов, мас.%: рутиловый концентрат 25-37; плавиковый шпат 8-17; железный порошок 32-45; никель 1-3; карбонат щелочного металла 3-7; комплексный фторид щелочного металла 3-13; ферромарганец 4-6; ферросилиций 2-4; ферротитан 1-3; алюминий 1-2. Предлагаемая порошковая проволока позволяет улучшить качество сварного шва и увеличить ударную вязкость сварных швов при подводной сварке за счет активных металлургических реакций по раскислению сварочной ванны. 2 з.п. ф-лы, 2 табл., 1 пр.

 

Предлагаемое изобретение относится к машиностроению и может быть применено при механизированной и автоматической подводной сварке и наплавке металлических деталей.

Известен состав шихты самозащитной порошковой проволоки (см. Иоффе И.С., Зеленова В.И., Матвеев В.А. и др. Состав шихты самозащитной порошковой проволоки. Патент РФ №2032515 от 23.07.1992 г.), который содержит, масс. %: железный порошок 60-65; плавиковый шпат 11-13; мрамор 5-8; кремнефтористый натрий 3-5; ферромарганец 2-3; ферротитан 1,5-2; ферросилиций 1,5-2; алюминиевый порошок 1,5-2; рутил остальное. Указанное изобретение позволяет повысить ударную вязкость металла шва, однако шихта предназначена для применения при дуговой сварке в среде защитного газа и не может применяться для подводной сварки мокрым способом в водной среде.

Известен состав порошковой проволоки (см. Горынин И.В., Малышевский В.А., Баранов А.В., Шарапов М.Г. и др. Состав порошковой проволоки. Патент РФ №2166419 от 20.05.1999 г.), который содержит порошкообразную шихту следующего состава, масс. %: рутиловый концентрат 4,35-8,35; полевой шпат 0,3-0,7; электрокорунд 0,25-0,65; кремнефтористый натрий 0,20-0,50; ферросилиций 0,30-0,70; ферромарганец 1,45-3,45; железный порошок 3,65-5,65; калийнатриевая силикат-глыба 0,15-0,75; комплексная лигатура с алюминием 0,35-0,75.

Указанный состав порошковой проволоки позволяет увеличить ударную вязкость металла шва при температурах до минус 40°C. Однако состав предназначен для применения при механизированной сварке в среде углекислого газа и не может применяться для подводной сварки мокрым способом в водной среде.

Известна порошковая проволока для подводной сварки мокрым способом (см. Левченко A.M., Паршин С.Г., Антипов И.С. Порошковая проволока для сварки сталей под водой. Решение о выдаче патента на изобретение по заявке №2013136023/02(054045) от 28.08.2014 г.), которая принята за прототип.

Указанная порошковая проволока изготавливается из стальной оболочки, внутри которой размещают порошкообразную шихту при следующем содержании компонентов, масс. %: рутиловый концентрат 25-37; плавиковый шпат 8-17; железный порошок 32-45; ферромарганец 5-9; никель 1-3; карбонат щелочного металла 3-7, комплексный фторид щелочного металла 3-13. Предлагаемая порошковая проволока улучшает капельный перенос металла, стабильность горения дуги и формирование сварного шва при подводной сварке.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение ударной вязкости сварного шва за счет интенсификации металлургических реакций по раскислению железа.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что порошковую проволоку изготавливают из стальной оболочки, внутри которой размещают порошкообразную шихту, при следующем содержании компонентов, масс. %: рутиловый концентрат 25-37; плавиковый шпат 8-17; железный порошок 32-45; никель 1-3; карбонат щелочного металла 3-7, комплексный фторид щелочного металла 3-13.

В отличие от прототипа в состав шихты вводят группу раскислителей: ферромарганец, ферросилиций, ферротитан, порошок алюминия. Такое сочетание известных и новых признаков позволяет увеличить ударную вязкость сварного шва. Это становится возможным, поскольку шихта содержит повышенное количество раскислителей - элементов с высоким сродством к кислороду. При сварке указанные раскислители в виде элементов: Mn, Ti, Si, Al восстанавливают железо из оксидов и сульфидов. При этом продукты реакций удаляются из сварочной ванны, очищая металл от загрязнений, в виде оксидов FeO и сульфидов FeS.

Повышенное содержание оксидов железа FeO и сульфидов железа FeS в наплавленном металле вызывает снижение прочности межзеренных границ и пластичности наплавленного металла. Это приводит к хрупкости металла шва и уменьшению ударной вязкости. Использование группы активных раскислителей позволяет производить интенсивные металлургические реакции раскисления железа в широком интервале температур.

Шихта по предлагаемому изобретению имеет высокое суммарное содержание фторида кальция и комплексного фторида щелочного металла, например гексафторалюмината натрия Na3AlF6, который способствует интенсивным металлургическим реакциям и при сварке разлагается с выделением значительного количества фтора. Фториды связывают молекулы, атомы и ионы водорода в парогазовом пузыре с образованием газообразного фтористого водорода HF, что снижает образование дефектов и улучшает качество сварных соединений. Аналогичное влияние оказывают гексафторалюминаты Li3AlF6, K3A1F6, гексафтортитанаты Na2TiF6 Li2TiF6, K2TiF6, гексафторсиликаты Na2SiF6 Li2SiF6, K2SiF6, гексафторцирконаты Na2ZrF6 Li2ZrF6, K2ZrF6.

Гексафторалюминат натрия Na3AlF6 имеет низкую температуру плавления 1000°C и низкое поверхностное натяжение - около 130 мДж/м2, что способствует смачиванию металла шлаком и уменьшает межфазное натяжение расплавленного металла стальной оболочки проволоки. Это улучшает процесс капельного перехода металла в сварочную ванну при расплавлении порошковой проволоки, стабильность горения дуги и формирования сварного шва. Аналогичное влияние оказывают гексафторалюминаты Li3AlF6, K3A1F6, гексафтортитанаты Na2TiF6 Li2TiF6, K2TiF6, гексафторсиликаты Na2SiF6 Li2SiF6, K2SiF6, гексафторцирконаты Na2ZrF6 Li2ZrF6, K2ZrF6.

Состав шихты имеет рудно-кислую шлаковую систему, которая имеет низкую влагопроницаемость (см. Петров Г.Л. Сварочные материалы. - М.: Машиностроение, 1972 г. - 280 с.). Основа рудно-кислого шлака состоит из TiO2 с плотностью 4,2 г/см3 и CaF2 с плотностью 2,5 г/см3, поэтому имеет стекловидное плотное строение с пониженной вязкостью и поверхностным натяжением около 240 мДж/м2. Это позволяет шлаку в расплавленном состоянии закрывать поверхность сварочной ванны и препятствовать проникновению воды и водорода в металл сварного шва, что улучшает формирование шва и снижает образование дефектов в наплавленном металле. Смачиванию сварочной ванны при высоких скоростях охлаждения под водой способствует низкая вязкость кислого шлака системы TiO2-CaF2 около 0,08 Нс/м2, которая дополнительно уменьшается за счет введения комплексного фторида щелочного металла.

Оптимальное содержание рутилового концентрата в шихте составляет, масс. %: 25-37, плавикового шпата: 8-17. Указанное соотношение шлакообразующих компонентов выбрано из условия достижения минимальной вязкости и поверхностного натяжения системы TiO2-CaF2 в целях улучшения капельного перехода и формирования сварного шва под водой. Кроме того, указанное соотношение TiO2-CaF2 обеспечивает однородность шлака, снижает вероятность его расслаивания и обладает минимальной температурой плавления (см. Торопов Н.А., Барзаковский В.П. и др. Диаграммы состояния силикатных систем. Справочник. Выпуск 1. Двойные системы. - Л.: Наука, 1969. - 822 с.).

При уменьшении содержания шлакообразующих компонентов ниже оптимального значения объем образующегося шлака является недостаточным для защиты сварочной ванны от проникновения воды, водорода и кислорода, что ухудшает формирование и качество сварного шва. При увеличении содержания шлакообразующих компонентов выше оптимального значения уменьшается коэффициент наплавки и эффективность тепловложения, что снижает производительность процесса сварки.

Введение в состав шихты железного порошка способствует увеличению коэффициента наплавки и эффективности тепловложения, что увеличивает глубину проплавления и производительность процесса сварки. Оптимальное содержание железного порошка в шихте составляет, масс. %: 32-45. При уменьшении содержания железного порошка ниже оптимального значения снижается коэффициент наплавки и эффективность тепловложения, что вызывает уменьшение глубины проплавления и производительности процесса сварки. При увеличении содержания железного порошка выше оптимального значения ухудшается шлаковая защита сварочной ванны, что ухудшает формирование шва, плотность наплавленного металла и сварочно-технологические свойства порошковой проволоки.

Введение в состав шихты никеля при оптимальном содержании, масс. %: 1-3 улучшает механические характеристики сварного шва, способствует увеличению пластичности шва и росту коэффициента наплавки. При уменьшении содержания никеля ниже оптимального значения отсутствует эффект улучшения пластичности металла шва, а при увеличении содержания никеля выше оптимального значения ухудшается формирование шва и плотность наплавленного металла.

Введение в состав шихты карбоната щелочного металла, например Li2CO3 при оптимальном содержании, масс. %: 3-7, способствует улучшению стабильности горения дуги за счет увеличения степени ионизации плазмы и увеличению парциального давления углекислого газа в парогазовом пузыре, что снижает концентрацию водяного пара и водорода над сварочной ванной. Аналогичным влиянием обладают карбонаты калия K2CO3 и натрия Na2CO3. При уменьшении содержания карбоната щелочного металла снижается стабильность горения дуги, а при увеличении содержания снижется эффективность тепловложения и коэффициент наплавки.

Введение в состав шихты комплексного фторида щелочного металла, например гексафторалюмината натрия Na3AlF6 с низким поверхностным натяжением - около 130 мДж/м2, обеспечивает мелкокапельный перенос металла. Это эффект возникает в результате частичной диссоциации соединения по реакции: Na3AlF6=2NaF+NaAlF4. Тетрафторалюминат натрия NaAlF4 имеет низкую температуру плавления и низкое поверхностное натяжение - около 86,6 мДж/м2, концентрируется в поверхностном слое шлака и способствует уменьшению межфазного натяжения расплавленного металла (см. Лепинских Б.М., Манаков А.И. Физическая химия оксидных и оксифторидных расплавов. - М.: Наука, 1977. - 192 с.). В результате этого снижается диаметр капель и увеличивается частота капельного перехода.

В результате разложения и испарения Na3AlF6 вокруг сварочной дуги образуются газообразные соединения NaF, AlF3, AlF2, AlF, которые изменяют химический состав атмосферы парогазового пузыря, образующегося при разложении воды сварочной дугой. Давление газообразных фторидов в парогазовом пузыре увеличивается с ростом концентрации AlF3, который обладает наиболее высокой упругостью пара. Насыщению парогазового пузыря фторидами способствуют реакции соединений NaF, AlF3, AlF2, AlF с двуокисью титана TiO2. При этом образуются фториды титана TiF4, TiF3, TiF2, которые имеют высокую химическую активность в реакциях по связыванию водорода. Аналогичное действие оказывает введение в состав шихты гексафторалюмината лития Li3AlF6, который при сварке диссоциирует на соединения LiF, AlF3, AlF2, AlF, а также гексафторалюмината калия K3AlF6, который сварке диссоциирует на соединения KF, AlF3, AlF2, AlF. Аналогичное влияние по связыванию воды и водорода оказывают гексафтортитанаты Na2TiF6 Li2TiF6, K2TiF6, гексафторсиликаты Na2SiF6 Li2SiF6, K2SiF6, гексафторцирконаты Na2ZrF6 Li2ZrF6, K2ZrF6.

Оптимальное содержание комплексного фторида щелочного металла составляет, масс.%: 3-13. Такой интервал значений позволяет обеспечить минимальную вязкость шлаковой системы TiO2-CaF2 и уменьшить поверхностное натяжение расплавленного плавикового шпата до 160 мДж/м2.

При уменьшении содержания комплексного фторида щелочного металла ниже оптимального значения ухудшается процесс расплавления порошковой проволоки и капельный переход, а также способность шихты к активному связыванию воды и водорода, что приводит к появлению дефектов в наплавленном металле шва. При увеличении содержания комплексного фторида щелочного металла выше оптимального значения ухудшается стабильность горения дуги, шлаковая защита сварочной ванны, формирование шва и плотность наплавленного металла.

Введение в состав шихты группы раскислителей при оптимальном содержании, масс. %: ферромарганец 4-6, ферросилиций 2-4, ферротитан 1-3, порошок алюминия - 1-2 будет способствовать восстановлению железа через металлургические реакции раскисления оксидов железа, связыванию загрязнений в виде серы в тугоплавкие сульфиды марганца MnS и летучие сульфиды SiS, TiS, Al2S3. Это улучшает плотность наплавленного металла шва, его пластичность и ударную вязкость. При уменьшении содержания раскислителей ниже оптимального значения ухудшаются механические характеристики сварного шва, а при увеличении содержания раскислителей ухудшается стабильность горения дуги и формирования шва.

Процессы раскисления основаны на обменных реакциях взаимодействия оксида железа - вюстита FeO с элементами, которые имеют более высокое сродство к кислороду: Al, Ti, Si, Mn по реакциям:

Термодинамические расчеты констант равновесия металлургических реакций Кр при помощи программы FACT (Facility for the Analysis of Chemical Thermodynamics) показывают, что указанные реакции имеют высокую интенсивность в диапазоне до 3000 K, см. таблицу 1.

Увеличение ударной вязкости связано не только с восстановлением железа путем введения активных раскислителей, но и с металлургическими реакциями по рафинированию - извлечению серы при обменных реакциях с сульфидом железа по реакциям:

Термодинамические расчеты показывают высокую интенсивность металлургических реакций десульфурации в диапазоне от 1000 до 6000 К, см. таблицу 2.

Так как активность раскислителей изменяется при разных интервалах температур, то для эффективности процессов раскисления и десульфурации необходимо применять группу раскислителей.

В качестве примера применения предлагаемой проволоки является механизированная дуговая сварка образцов из низкоуглеродистой стали Ст3сп размером 300×200 мм и толщиной 12 мм. Особо мягкую стальную ленту толщиной 0,2 мм шириной 10 мм из стали 08кп помещали в прокатный стан, в котором формовали стальную оболочку диаметром 4,5 мм. Одновременно с формовкой внутрь стальной оболочки засыпали тонкоизмельченную шихту следующего состава, масс. %: рутиловый концентрат 30; плавиковый шпат 10; железный порошок 35; ферромарганец 5; ферросилиций 3; ферротитан 2; порошок алюминия 2; никель 3; углекислый литий 3; гексафторалюминат натрия 4. Затем проволоку методом последовательного волочения уменьшали до диаметра 1,6 мм.

Полученную порошковую проволоку использовали при механизированной подводной сварке с применением источника питания «Магма-315У» с погружением на глубину 14 м в акватории Балтийского моря. Стыковое соединение пластин имело два симметричных скоса кромок с двух сторон, обозначение сварного соединения С25 по ГОСТ 14771-76. Заполнение разделки шва осуществляли за два прохода с каждой стороны при напряжении дуги 36 В. Порошковая проволока с шихтой указанного состава имела стабильное горение дуги, устойчивый мелкокапельный перенос, обеспечивала мелкочешуйчатое плавное формирование сварных валиков, хорошую шлаковую защиту сварочной ванны.

Механические испытания сварных соединений по ГОСТ 6996-66 показали, что ударная вязкость сварных швов увеличилась на 12-18% по сравнению с прототипом.

Таким образом, предлагаемая порошковая проволока обеспечивает технический эффект, который выражается в улучшении ударной вязкости сварных швов при подводной сварке, может быть изготовлена и применена с использованием известных в технике средств, следовательно, она обладает промышленной применимостью.

1. Порошковая проволока для механизированной подводной сварки, состоящая из стальной оболочки и шихты, содержащей рутиловый концентрат, плавиковый шпат, железный порошок, никель, карбонат щелочного металла и комплексный фторид щелочного металла, отличающаяся тем, что шихта дополнительно содержит раскислители в виде ферромарганца, ферросилиция, ферротитана и алюминия при следующем содержании компонентов, мас. %:

рутиловый концентрат 25-37
плавиковый шпат 8-17
железный порошок 32-45
никель 1-3
карбонат щелочного металла 3-7
комплексный фторид щелочного металла 3-13
ферромарганец 4-6
ферросилиций 2-4
ферротитан 1-3
алюминий 1-2

2. Проволока по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве карбоната щелочного металла шихта содержит соединение или смесь соединений, выбранных из группы карбонатов лития, калия и натрия.

3. Проволока по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что в качестве комплексного фторида щелочного металла шихта содержит соединение или смесь соединений, выбранных из гексафторалюминатов, гексафтортитанатов, гексафторсиликатов и гексафторцирконатов щелочных металлов.



 

Похожие патенты:

Изобретение может быть использовано для сварки нержавеющих сталей, в частности сталей серии 400, сварочной проволокой с флюсовой сердцевиной. Нержавеющая хромистая сталь трубчатой оболочки содержит, вес.%: 10-18 Cr, менее 5 Ni.

Предлагаемое изобретение относится к машиностроению и может быть применено при механизированной и автоматической сварке и наплавке металлических деталей под водой.

Изобретение может быть использовано при наплавке порошковой проволокой рабочих поверхностей деталей металлургического оборудования, к которым предъявляются повышенные требования по твердости и износостойкости.

Порошковая проволока может быть использована при механизированной и автоматической подводной сварке и наплавке металлических деталей. Порошковая проволока состоит из стальной оболочки и размещенной внутри нее шихты.

Изобретение может быть использовано при дуговой сварке и наплавке металлических деталей. На внешней и/или внутренней поверхности металлической оболочки порошковой проволоки выполнено нанокомпозиционное покрытие в виде металлической матрицы с распределенной в ней смесью наноразмерных частиц фторида металла и редкоземельных металлов.

Изобретение может быть использовано при механизированной и автоматической сварке и наплавке металлических деталей под водой мокрым способом. В стальной оболочке проволоки размещена шихта, содержащая компоненты в следующем соотношении, мас.%: рутиловый концентрат 25-37; плавиковый шпат 8-17; железный порошок 32-45; ферромарганец 5-9; никель 1-3; карбонат щелочного металла 3-7; комплексный фторид щелочного металла 3-13.

Порошковая проволока может быть использована при механизированной и автоматической сварке и наплавке металлических деталей под водой мокрым способом. В стальной оболочке размещена шихта, содержащая компоненты в следующем соотношении, мас.%: рутиловый концентрат 23-42; гематит 18-27; железный порошок 28-42; ферромарганец 3-8; никель 3-5; комплексный фторид щелочного металла 5-18.
Изобретение относится к области металлургии, в частности к порошковой проволоке для получения жаростойкого покрытия дуговой металлизацией, и может быть использовано для защиты поверхности деталей, работающих в условиях высокотемпературной газовой коррозии.
Изобретение может быть использовано при наплавке под флюсом для восстановления изношенных деталей и получения износостойкого защитного покрытия на деталях металлургического оборудования, работающих в условиях сжатия и абразивного износа при температурах 600°C.
Изобретение может быть использовано при наплавке под флюсом для восстановления изношенных деталей и получения износостойкого защитного покрытия на деталях металлургического оборудования, работающих в условиях сжатия и абразивного износа при температурах 600°C, например прокатных валков черновых и чистовых калибров, а также роликов подающих рольгангов.
Наверх