Способ сварки плавящимся электродом углеродистых и низколегированных конструкционных сталей
Владельцы патента RU 2788290:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Волгоградский государственный технический университет" (ВолгГТУ) (RU)
Изобретение относится к технологии сварки продольных и кольцевых швов изделий из углеродистых и низколегированных конструкционных сталей толщиной от 4,0 до 30,0 мм. На свариваемые поверхности наносят флюс-пасту в виде покрытия из порошка Y2O3 или CaO с размером зерен до 39 мкм, разведенного в спирте в массовом соотношении 1:3. Получают покрытие с плотностью нанесения оксида 0,045-0,055 г/см2 и относительной массовой концентрацией оксида в зоне расплава сварочной ванны, равной 1,8-2,2%. Сварку осуществляют в смеси защитных газов, состоящей из 82 об.% аргона и 18 об.% углекислого газа. Технический результат заключается в увеличении области допустимых отклонений заданных параметров сварочного процесса без ухудшения механических свойств сварного соединения для изделий толщиной 4-30 мм. 2 табл.
Изобретение относится к технологии сварки продольных и кольцевых швов изделий из углеродистых и низколегированных конструкционных сталей толщиной от 4,0 до 30,0 мм.
Известен способ сварки плавящимся электродом со сквозным проплавлением, при котором металл сварочной ванны удерживают за счет сил поверхностного натяжения из-за нанесенной флюсовой пасты на поверхность стыка со стороны корня шва, состоящей из нескольких фторидов CaF2–BaF2–SrF2. Этот способ служит для повышения качества сварных соединений материалов из углеродистых и низколегированных сталей толщиной от 4,0 мм до 6,0 мм [S. G. Parshin (2012): Using ultrafine particles of activating fluxes for increasing the productivity of MIG/MAG welding of steels, Welding International, 26:10, P. 800-804].
Однако известный способ невозможно использовать для сварки сталей более 6 мм, вследствие возникновения на поверхности расплавленной сварочной ванны шлакового слоя переменного состава из-за образования комплексных соединений, не препятствующих проникновению ионов кислорода к расплаву сварочной ванны, которые уменьшают величину поверхностного натяжения и момент силы, изгибающий поверхность расплавленного металла в сторону увеличения геометрических параметров обратного валика.
Известен способ сварки с помощью поверхностно-инактивного компонента в виде ZrO2 наносимого на обратную сторону стыка размерностью до 60 мкм и толщиной покрытия 200-300 мкм, который позволяет увеличить объем расплавленного металла сварочной ванны, удерживаемый в разделке [Способ управления формированием корневого шва / П.П. Красиков, О.А. Полесский, А.В. Савинов, И.Е. Лапин // Известия ВолгГТУ. Сер. Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении. Вып. 10. - Волгоград, 2014. - № 23 (150). - C. 128-130].
Однако при данном способе нанесения покрытия нет возможности проконтролировать толщину и равномерность нанесенного оксидного слоя, что в свою очередь ухудшает формирование обратного валика, а именно приводит к прожогам и неравномерности получаемых геометрических параметров по длине шва, ухудшая механические свойства получаемого соединения.
Наиболее близким является способ сварки корневого шва с разделкой кромок в смеси защитных газов 82 об.% аргона и 18 об.% углекислого газа, с применением флюсовой пасты на основе Al2O3 для стабилизации геометрических параметров получаемого сварного соединения [Stabilization of Root Parameters for Shielded Arc Welding / P.P. Krasikov, A.V. Savinov, O.A. Polesskiy, A.A. Chudin, L.S. Krasikova, I.V. Kozlov, D.S. Borisov and V.V. Filippov // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. Vol. 1118 : International Conference on Mechanical Engineering and Modern Technologies (MEMT 2020) (Tomsk, Russia, 26-30 October, 2020) / Tomsk Polytechnic University. – [IOP Publishing], 2021. – 5 p. – DOI: 10.1088/1757-899X/1118/1/012012].
Недостатком данного способа является ограниченность применения по толщине изделия до 10 мм и параметрами режима сварки.
Задачей предлагаемого технического решения является разработка способа сварки плавящимся электродом в смеси защитных газов 82%Ar+18%CO2 углеродистых и низколегированных конструкционных сталей, обеспечивающего минимальный размер обратного валика в широком диапазоне параметров режима сварки и толщин изделия без ухудшения механических свойств сварного соединения.
Технический результат заключается в увеличение области допустимых отклонений заданных параметров сварочного процесса без ухудшения механических свойств сварного соединения для изделий толщиной 4-30 мм.
Технический результат достигается в способе сварки плавящимся электродом углеродистых и низколегированных конструкционных сталей, при котором сварка ведется в смеси защитных газов 82 об.% аргона и 18 об.% углекислого газа с помощью флюс-пасты на основе порошка оксида, при этом флюс-паста наносится в виде покрытия из порошка Y2O3 или CaO с размером зерен до 39 мкм, разведенного в спирте в массовом соотношении 1:3 и нанесенного на свариваемые поверхности с образованием оксидного покрытия плотностью нанесения оксида в 0,045-0,055 г/см2 и относительной массовой концентрации оксида в зоне расплава сварочной ванны равной 1,8-2,2%.
Сущность способа заключается в том, что порошок Y2O3 или CaO просеивается с помощью сита №004 по ГОСТ6613-86 размерная сетка сита, обеспечивает разную размерность зерен оксида менее 39 мкм. После чего полученный порошок разводится спиртом в массовом соотношении 1 часть оксида к 3 частям спирта. Полученная суспензия при помощи пульверизатора с диаметром сопла 0,5 мм с расстояния 15 см наносится на свариваемые поверхности с обеспечением за одно нажатие пятна нанесенного покрытия площадью 12,6 см2 и поверхностной плотностью 0,0225-0,0275 г/см2. Далее сопло пульверизатора перемещается на половину диаметра полученного пятна и наносится второй слой покрытия. При этом получают требуемую плотность нанесения оксида в 0,045-0,055 г/см2 и относительную концентрацию оксида в зоне расплава сварочной ванны равную 1,8-2,2%. Далее осуществляется сварка в смеси защитных газов 82 об.% аргона и 18 об.% углекислого газа плавящимся электродом сталей марки Ст3сп толщиной 4 мм с разделкой кромок С2 по ГОСТ 14771-76 и стали 09Г2С толщиной 30 мм с разделкой кромок С17 по ГОСТ 14771-76.
Применение оксидного покрытия плотностью нанесения оксида 0,045-0,055 г/см2 и массовой концентрацией в зоне сварочной ванны в диапазоне 1,8-2,2% приводит к получению обратного валика с параметрами, не выходящими за пределы допустимых по ГОСТ 14771-76. При этом повышение поверхностного натяжения на границе между контактирующим оксидом и жидкой сварочной ванны позволяет расширить диапазон параметров режима сварки. При контакте двух фаз с различной работой выхода электрона на границе между двумя точками вблизи границы контакта возникает контактная разница потенциалов, которая препятствует проникновению к границе расплавленной сварочной ванны ионов кислорода О2- и окислению сварочной ванны с образованием FeO уменьшающего поверхностное натяжение расплавленной сварочной ванны.
Учет размера частиц и выполнение заданных параметров поверхностной плотности нанесенного покрытия создает высокую адгезию между частицами оксида и поверхностью металла, вследствие чего не происходит его осыпание во время сварки и, соответственно, уменьшения объема сварочной ванны, что в свою очередь обеспечивает стабильность получения геометрических параметров обратного валика в широкой области допустимых отклонений заданных параметров сварочного процесса.
Расширение диапазона параметров режима сварки в смеси защитных газов 82 об.% аргона и 18 об.% углекислого газа позволяет увеличить диапазон допустимых отклонений заданных параметров сварочного процесса без ухудшения механических свойств сварного соединения, что значительно облегчает сварочный процесс.
Уменьшение концентрации оксида в зоне сварочной ванны ниже заявленного интервала приводит к увеличенному провисанию обратного валика, уменьшению диапазона режимов сварки, в которых параметры обратного валика находятся в допуске. При высоте обратного валика более 2 мм, происходит уменьшение прочности сварного соединения из-за насыщения металла сварочной ванны газами и появления пор в корне шва. Увеличение концентрации оксида в зоне сварочной ванны выше заявленного интервала не приводит к существенному изменению нормируемого показателя высоты обратного валика.
Экспериментальные данные, подтверждающие расширение диапазона параметров режима сварки в смеси защитных газов 82 об.% аргона и 18 об.% углекислого газа для пластин из стали марки Ст3сп (разделка по ГОСТ 14771-76-С2) толщиной 4 мм с использованием оксидного покрытия из Y2O3 приведены в таблице 1.
Таблица 1
Относительная концентрация оксида в зоне сварочной ванны, % | Параметры режима сварки | Временное сопротивление разрыва, МПа | Высота обратного валика, мм | ||
скорость подачи электрод-ной проволоки Vп.п., м/ч | напряжение на дуге, Uд., В | скорость сварки Vсв., м/ч | |||
1,6 | 100 | 26 | 34 | -- | несплавление |
200 | 27 | 460-465 | 1,5 | ||
300 | 29 | 2,0 | |||
400 | 33 | 440-455 | 3,0 | ||
250 | 26 | 24 | -- | прожог | |
34 | 440-455 | 1,7 | |||
44 | 1,0 | ||||
48 | -- | несплавление | |||
1,8 | 100 | 26 | 34 | 460-465 | 0,1 |
200 | 27 | 0,9 | |||
300 | 29 | 1,7 | |||
400 | 33 | 2,0 | |||
250 | 26 | 24 | 460-465 | 1,8 | |
34 | 1,4 | ||||
44 | 0,8 | ||||
48 | 0,4 | ||||
2,0 | 100 | 26 | 34 | 460-465 | 0,3 |
200 | 27 | 1,0 | |||
300 | 29 | 1,8 | |||
400 | 33 | 1,9 | |||
250 | 26 | 24 | 460-465 | 2,0 | |
34 | 1,5 | ||||
44 | 0,9 | ||||
48 | 0,2 | ||||
2,2 | 100 | 26 | 34 | 460-465 | 0,2 |
200 | 27 | 1,1 | |||
300 | 29 | 1,9 | |||
400 | 33 | 2,0 | |||
250 | 26 | 24 | 2,0 | ||
34 | 1,6 | ||||
44 | 0,5 | ||||
48 | 0,1 | ||||
2,4 | 100 | 26 | 34 | -- | несплавление |
200 | 27 | 460-465 | 1,4 | ||
300 | 29 | 2,0 | |||
400 | 33 | -- | прожог | ||
250 | 26 | 24 | прожог | ||
34 | 460-465 | 1,8 | |||
44 | 0,15 | ||||
48 | -- | несплавление | |||
Механические свойства основного материала (Ст3сп) по ГОСТ 535-2005 | 460-465 | - | |||
- |
Экспериментальные данные, подтверждающие расширение диапазона параметров режима сварки в смеси защитных газов 82 об.% аргона и 18 об.% углекислого газа для пластин из стали марки 09Г2С (разделка по ГОСТ 14771-76-С17) толщиной 30 мм с использованием оксидного покрытия из CaO приведены в таблице 2.
В таблице 2 для пластин из стали марки 09Г2С (разделка по ГОСТ 14771-76-С17) толщиной 30 мм приведены параметры обратного валика, получаемые в результате сварки, выполненной в соответствии с параметрами по прототипу (толщина пластины 10 мм, смесь защитных газов 82 об.% аргона и 18 об.%, флюс-паста на основе Al2O3).
Нормируемый показатель высоты обратного валика по ГОСТ 14771-76-С2 составляет 1,0±1,0 мм, нормируемый показатель высоты обратного валика по ГОСТ 14771-76-С17 составляет 0+2,0 мм.
Таблица 2
Относительная концентрация оксида в зоне сварочной ванны, % | Параметры режима сварки | Временное сопротивление разрыва, МПа | Высота обратного валика, мм | ||
скорость подачи электродной проволоки Vп.п., м/ч | напряжение на дуге, Uд., В | скорость сварки Vсв., м/ч | |||
1,6 | 350 | 26 | 34 | -- | несплавление |
400 | 27 | 482-485 | 1,2 | ||
500 | 29 | 2,5 | |||
600 | 33 | 470-475 | 3,2 | ||
700 | 34 | -- | прожог | ||
550 | 29 | 20 | -- | прожог | |
24 | 482-485 | 2,0 | |||
34 | 1,0 | ||||
44 | 0,2 | ||||
48 | -- | несплавление | |||
1,8 | 350 | 26 | 34 | 482-485 | 0,5 |
400 | 27 | 1,1 | |||
500 | 29 | 1,5 | |||
600 | 33 | 1,7 | |||
700 | 34 | 2,0 | |||
550 | 29 | 20 | 482-485 | 2,0 | |
24 | 1,7 | ||||
34 | 1,5 | ||||
44 | 1,3 | ||||
48 | 0,2 | ||||
2,0 | 350 | 26 | 34 | 482-485 | 0,2 |
400 | 27 | 1,2 | |||
500 | 29 | 1,4 | |||
600 | 33 | 1,5 | |||
700 | 34 | 1,8 | |||
550 | 29 | 20 | 482-485 | 1,8 | |
24 | 1,6 | ||||
34 | 1,4 | ||||
44 | 1,0 | ||||
48 | 0,4 | ||||
2,2 | 350 | 26 | 34 | 482-485 | 0,3 |
400 | 27 | 1,2 | |||
500 | 29 | 1,5 | |||
600 | 33 | 1,7 | |||
700 | 34 | 1,8 | |||
550 | 29 | 20 | 1,9 | ||
24 | 1,7 | ||||
34 | 1,6 | ||||
44 | 1,1 | ||||
48 | 0,3 | ||||
2,4 | 350 | 26 | 34 | -- | несплавление |
400 | 27 | 482-485 | 1,1 | ||
500 | 29 | 1,4 | |||
600 | 33 | 1,5 | |||
700 | 34 | 1,9 | |||
550 | 29 | 20 | -- | прожог | |
24 | 482-485 | 1,7 | |||
34 | 1,6 | ||||
44 | 1,0 | ||||
48 | 0,3 | ||||
по прототипу | 400 | 26 | 34 | -- | несплавление |
420 | 27 | 0,5 | |||
480 | 29 | 1,0 | |||
550 | 30 | 2,0 | |||
600 | 32 | прожог | |||
Механические свойства основного материала (09Г2С) по ГОСТ 19281-2014 | 480-485 | -- |
Таким образом, способ сварки плавящимся электродом углеродистых и низколегированных конструкционных сталей в смеси защитных газов 82 об.% аргона и 18 об.% углекислого газа с помощью флюс-пасты в виде покрытия из порошка Y2O3 или CaO с размером зерен до 39 мкм, разведенного в спирте в массовом соотношении 1:3 и нанесенного на свариваемые поверхности с образованием оксидного покрытия плотностью нанесения оксида в 0,045-0,055 г/см2 и относительной массовой концентрации оксида в зоне расплава сварочной ванны равной 1,8-2,2%, обеспечивает увеличение области допустимых отклонений заданных параметров сварочного процесса без ухудшения механических свойств сварного соединения для изделий толщиной 4-30 мм.
Способ сварки плавящимся электродом углеродистых и низколегированных конструкционных сталей, при котором сварку ведут в смеси защитных газов 82 об.% аргона и 18 об.% углекислого газа с помощью флюс-пасты на основе порошка оксида, отличающийся тем, что флюс-пасту наносят в виде покрытия из порошка Y2O3 или CaO с размером зерен до 39 мкм, разведенного в спирте в массовом соотношении 1:3, нанесенного на свариваемые поверхности с образованием оксидного покрытия с плотностью нанесения оксида 0,045-0,055 г/см2 и относительной массовой концентрацией оксида в зоне расплава сварочной ванны, равной 1,8-2,2%.