Сварочный электрод

 

Сущность изобретения: предложен сварочный электроде покрытием основного вида для сварки конструкций из низколегированных высокопрочных сталей, преимущественно с пределом текучести 600...650 Н/мм2. Для повышения хлэдостойкОсти металла шва до температуры -70°С предлагается на стержень из низкоуглеродистой стальной проволоки нанести покрытие , содержащее, мас.%: глинозем 3,1-3,4; полевой шпат 2,9-3;4; железный порошок 46,0-50,0, а в качестве карбоната щелочноземельного металла применяется магнезит 10,7-13,0%, в качестве органических пластификаторов - смесь целлюлозы и карбоксиметилцеллюлозы 2,2-2,5%, в качестве молибденосодержащего сплава - молибденовый порошок 0,5-1,0%, при следующем соотношении остальных компонентов, мас.%: плавиковый шпат 6,0-7,5; рутил 11,7-14,5; ферромарганец 6,0-7,0; ферросилиций 1,8-3,0; никелевый порошок 1,7-2,0, причем коэффициент массы покрытия составляет 145-160%. 4 табл.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕ СКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4912844/08 (22) 10,12.90 (46) 15.06.93. Бюл. М 22 (71) Институт электросварки им, Е.О,Патона (72) А.М,Бейниш, В,Д.Позняков, И.Р.Явдощин, А.В.Мусияченко, И.К Походня, Л.И.Миходуй и Б.В.Юрлов (56) Авторское свидетельство СССР

М 316555, кл. В 23 К 35/365, 17,07.90.

Авторское свидетельство СССР . М 535 f 44, кл. В 23 К 35/365, 1974.

Авторское свидетельство СССР

М 281697, кл. В 23 К 35/365, 11.09.69. (54) СВАРОЧНЫЙ ЭЛЕКТРОД (57) Сущность изобретения; предложен сварочный электродс покрытием основного вида для сварки конструкций из низколегированных высокопрочных сталей, преимущественно с пределом текучести

Изобретение относится к дуговой сварке, в частности.к высокопроизводительным электродам с покрытием основного вида для сварки в условиях монтажа тяжелонагруженных конструкций из низколегированных высокопрочных сталей, преимущественно с пределом текучести

600-650 Н/мм, эксплуатируемых в районах

2 с низкой климатической температурой.

Целью изобретения является повышение хладостойкости металла шва. до температуры -70 С при сварке высокопрочных сталей преимущественно с пределом теку чести 600 — 650 Н/мм2.,, Я2,„, 1821319 А1

<я)з В 23 К 35/365

600...650 Н/мм . Для повышения хладостойкости металла шва до температуры -70 С предлагается на стержень из низкоуглеродистой стальной проволоки нанести покрытие, содержащее, мас.%: глинозем 3,1-3,4; полевой шпат 2,9 — 3;4; железный порошок

46,0-50,0, а в качестве карбоната щелочноземельного металла применяется магнезит

10,7-13,0%, в качестве органических пластификаторов — смесь целлюлозы и карбоксиметилцеллюлозы 2,2-2,5%, в качестве молибденосодержащего сплава — молибденовый порошок 0,5-1,0%, при следующем соотношении остальных компонентов, мас.%: плавиковый шпат 6,0 — 7,5; рутил

11,7-14,5; ферромарганец 6,0-7,0; ферроси- а лиций 1,8 — 3,0; никелевый порошок 1,7 — 2,0, причем коэффициент массы покрытия составляет 145 — 160%. 4 табл.

Поставленная цель достигается тем, что в сварочном электроде, состоящем из с ального низкоуглеродистого сердечника с нанесенным на него покрытием, содержащим плавиковый шпат, рутил, ферромарганец, ферросилиций, железный порошок, магнезит, глинозем компонент покрытия дополнительно содержит никель, молибден, полевой шпат, смесь электродной целлюлозы и карбоксиметилцеллюлозы (соотношение в смеси 87:13), а содержание глинозема не менее 3,1% при следующем соотношении компонентов, мас.%: плавиковый шпат 6,0-7,5 . рутил 11,7 — 14,5

1821319 ферромарганец . 6,0-7,0 ферросилиций 1,8 — 3,0 никелевый порошок 1,7 — 2,0 магнезит 10,7-13,0 органические пластификаторы 2,2-2,5 молибдвновый порошок 0,5 — 1,0 глинозем 3,1 — 3,4 полевой шпат 2,9-3,4 железный порошок 46,0 — 50,0 причем коэффициент массы покрытия составляет 145-160, при соотношении

0И = 2,1 — 2,3, где d — диаметр стержня, мм;

Π— диаметр покрытия, мм, При сварке покрытыми электродами высокая прочность металла шва достигается за счет твердорастворного упрочнения матрицы в результате его легирования хромом, молибденом. Однако при этом не обеспечивается хладостойкость металла шва из-за образования крупных участков "жесткой" второй фазы в виде карбидов хрома или молибдена, что уменьшает длину свободного пробега дислокаций и ведет к межзеренному хрупкому разрушению. Эффективным путем упрочнения металла шва с одновре- менным обеспечением высокой вязкости при отрицательных температурах является

его дисперсионное упрочнение плохо растворимыми частицами, например, карбонитридами алюминия или оксидными включениями. Согласно теории"барьеров" плохо растворимые соединения, выпадая по границам первичных, эустенитных зерен препятствуют их росту, что обеспечивает формирование мелкозернистой структуры, обладающей высокой прочностью и вязкостью при отрицательной температуре. Предупреждение образования крупных карбидов достигается за счет уменьшения содержания углерода в металле шва. В предлагаемом сварочном электроде обеспечение высокой прочности металла. шва и его хладостайкости при температуре

-70 С достигается за счет одновременного введения в состав покрытия оксида алюминия в виде глинозема и железного порошка. . Введение низкоуглеродистого железного порошка в покрытие позволяет снизить содержание углерода в металле шва до 0,060,08, что предупреждает образование карбидов. С увеличением количества глинозема в покрытии при сварке; в результате алюминиевовосстановительного процесса, металл шва обогащается мелкодисперсными неметаллическими включениями-оксидами алюминия. Согласно закона распределения оксидных фаз между шлаком и металлом, малые количества оксидов алюминия исключают возможность удаления оксидов алюминия из металла шва. Такие включения, имея сравнительно высокую температуру плавления, образуются нэ границах и в теле первичных аустенитных зерен на ранних стадиях кристаллизации сварочной ванны, При последующем охлаждении присутствие оксидов алюминия на границах зерен препятствует их росту, создавая благоприятные условия для форми10 рования мелкозернистой структуры.

Пределы содержания глинозема в по крытии выбраны из условия обеспечения высокой прочности металла шва и его высокой хладостойкости. При температуре -70 С

l5 при содержании глинозема менее 3,1% нв достигается заданная прочность металла шва (не менее 700 Н/мм ), а при содержании глинозема более 3,4 снижается хладостойкость при температуре -70ОС из-за

20 коагуляции оксидных включений типа корунда по границам зерен, что ведет к межэеренному хрупкому разрушению металла шва. Металлографические исследования показали, что при оптимальном содержании глинозема в покрытии (3,1 — 3,4 ) формируется мелкоэеренная структура металла с размером зерен 40-70 мкм, с равномерно распределенными оксидными включениями преимущественно по границам зерей с раз30 мером 0,50-0,75 мкм. Металл шва с такой структурой обладает временным сопротивлением разрыву не менее 700 Нlмм, и удар- . ной вязкостью не менее 50 Дж/см при температуре-70ОС(образцы тип И по ГОСТ .

35 6996-66).Пределы содержания в покрытии никелевого пооошка (1,7-2,0 ) выбраны из условия необходимости обеспечить оптимальное содержания никеля в шве (1,3—

40 1,5 ) с целью повысить вязкость металла шва в интервале температур 20-(-70) С. При . содержании никелевого порошка менее

1,7 не достигается эффект улучшения вязкости металла шва. При содержании никеле45 вого порошка более 2,0% возможно снижение вязкости металла шва из-за усиления его химической неоднородности.

Пределы содержания в покрытии молибденового порошка (0,5 — 1,0 ) выбраны

50 из условия необходимости обеспечить опти-. мальное содержание молибдена в шве (0,35 — 0,55%) с целью повысить прочность металла шва. При содержании молибденового порошка менее 05 эффект от его

55 введения в покрытие незначителен. Повышение содержания молибденового порошка более 1,0 приводит к хрупкому разрушению металла шва из-за образования в его структуре крупных участков "жесткой" фазы. Пределы содержания ферромарганца

1821319 (6,0 — 7,0 ) и ферросилиция (1,8 — 3,0 ) в по- Стабильное горение дуги переменного крытии выбраны иэ расчета необходимости тока от стандартного трансформатора с обеспечения оптимального содержания U> х = 70 + 2 В достигается за счет введемарганца(1,1 — 1,4 )и кремния(0,25 — 0,35 ) ния в состав покрытия полевого шпата и в наплавленном металле, при которых до- 5 железного порошка, повышение хладостойстигаются требуемая пластичность металла кости металла шва при сохранении заданшва при заданной его прочности. Нижний ной его прочности достигается за счет предел содержания ферромарганца (6,0; ) и введения в покрытие глинозема. ферросилиция (1,8 ) определен заданными Стабильность горения дуги переменнозначениями пластичности металла шва. 10 го тока определяется электрофизическими

Верхний предел ферромарганца (7,0 ) и характеристиками дугового разряда, котоферросилиция (3,0 ) ограничен возможно- рые связаны с составом и массой покрытия, стью снижения пластичности металла шва режимом сварки и т.д, Введение в состав из-эа твердорастворного упрочнения фер- покрытия электродов фторсодержащих КоМритной матрицы. 15 понентов с целью улучшения металлургичеВведение магнезита и плавикового ских свойств шлака, вызывает ухудшение шпата в покрытие обусловлено необходи- стабильности горения дуги переменного томостью обеспечить гаэошлаковую защиту ка из-за обогащения периферийной области расплавленного металла и улучшить физи- столба дуги отрицательными ионами фтора, ко-химические свойства расплавленного 20 что приводит к контрагированию дуги. На„шлака. При содержании магнезита менее ряду с контрагированием столба дуги при

10,4 обеспечивается надежная газовая за- сварке на переменном токе усиливается общита расплавленного металла, что приво- разование отрицательных ионов в переходдит к его насыщению азотом иэ ной период: при изменении полярности, окружающего воздуха. При содержании 25 Для облегчения восстановления электромагнезита более 13,0 снижается вязкость проводности дуги при смене полярйости в шлака, что приводит к формированию ме- состав покрытия вводят компоненты содерталла шва с сильным усилением.при сварке жащие легкоионизируемые элементы, натавровых соединений в нижнем положении. пример, щелочные металлы, что приводит к

Нижний предел плавикового шпата (6,0 ) 30 насыщению зоны столба дуги положительвыбран из условия обеспечения низкого со- ными ионами, Однако, обеспечивая электдержания водорода в наплавленном метал- ропроводность столба. дуги, в переходной ле, а верхний предел (7,5 ) из условия период, легкоионизируемые элементы сниобеспечения стабильного горения дуги пе- жают температуру столба дугового разряда, ременного тока, 35 что усиливает неблагоприятное действие

Пределы содержания в покрытии рути- отрицательных ионов на стабильность горе- ла (11,7 — 14,5 ) выбраны из условия обеспе- ния дуги переменного тока, Компенсация чения хороших сварочно-технологических отрицательного влияния отрицательных свойств электродов при сварке стыковых и . ионов на стабильность горения дуги перетавровых соединений в нижнем положении. 40 менного тока может быть достигнута за счет

При содержании рутила менее 12 не обес- выведения отрицательных ионов на максипечивается легкая отделимость шлаковой мально возможное расстояние от столба дукорки при сварке корневого шва в стыковом . ги, например, за счет увеличения толщины соединении, а при содержании рутила бо- покрытия. Увеличение толщины по: ",ытия .лее 14,5 из-за повышения вязкости шлака 45 электрода без изменения его состава огразатруднено визуальное наблюдение за сва- ничено условиями обеспечения сварочнорочной ванной, что может привести к обра- технологических свойств электродов. зованию дефектов в металле шва, . Таким образом, стабильное горение дуги переменного тока при сварке предлагаеСодержание органических пластифика- 50 мым сварочным электродом достигается за торов (2,2 — 2,5 ) и их вид (целлюлоза, кар- счет одновременного введения в состав побоксиметилцеллюлоза) выбраны из условия крытия щелочного алюмосиликата и полевообеспечения технологических свойств об- го шпата с ростом толщины покрытия. мазочной массы. При содержании менее Пределы содержания полевого шпата, 2,2 не достигается эффект пластифициро- 55 железного порошка и отношении диаметра вания обмазочной массы, а при содержании покрытия к диаметру стержня выбраны из более 2,5 возможно наводораживание ме- условия достижения стабильного горения талла шва в результате неполной деструк- . дуги переменного тока и возможности изгоции органических пластификаторов при товления электродов в условиях конвейертермообработке электродов. но о производства. При содержании

1821319 полевого шпата менее 2.9 железного порошка менее 46,07 и соотношении 0/d менее 2,1 не достигается стабильного горения дуги от стандартного трансформатора с напряжением холостого хода (70 +. 2) В. При содержании полевого шпата более 3,47 железного порошка более 50,07; и соотношения О/д более 2,4 электрод становится нетехнологичным в изготовлении: из-за больших размеров оболочки электрода невозможно получить бездефектное покрытие, Конкретные составы электродного покрытия приведены в табл. 1, Покрытие наносили на стержни диаметром 4 мм из сварочной проволоки марки

Св-08А. по ГОСТ 2246-70. При изготовлении обмазочной массы предлагаемого сварочного электрода использовалось калиево-натриевое жидкое стекло с модулем 3,12, плотностью 1424 кнlм и вязкостью 460 з

МПа с. Количество стекла 24% от массы сухой шихты; Электроды вариантов 1-5 изготовлены с коэффициентом массы покрытия (к.м.п.) 1507, электроды вариантов 5 и 7 имеют к,м.п, = 140, а электроды вариантов

8 и 9 — к,м.n. = 1657,. Электроды опрессовки подвергали термообработке в камерных печах на режимах, установленных технологической инструкцией.

При сварке электродами диаметром 4 мм от трансформатора ТД-401 стыковых и угловых соединений из высокопрочных сталей в нижнем положении на режимах: сварочный ток 200 — 220 А, напряжение 24 — 26 В, скорость сварки 22-25 cM/Mèí. Электроды вариантов 2-4 обеспечивают стабильное горение дуги переменного тока, малое разбрызгивание металла шва, легкую отделимость корки, высокую стойкость проо тив образования пор, горячих и холодных трещин. Электроды вариантов 6-9 характеризуются нестабильным горением дуги переменного тока и неудовлетворительными сварочно-технологическими. характеристиками. При испытании трех вариантов сварочного электрода (табл, 1 составы 2 — 4) в соответствии с предлагаемым изобретени. ем, а также шести вариантов (1,5„6 — 9), состоящих из тех же компонентов, но в процентном отношении (составы 1, 5) и по коэффициенту массы покрытия (6-9) выходящих за иределы, установленные предлагаемым изобретением, определяли химический состав наплавленного металла (табл. 2), механические свойства металла шва на стали 12 ГН2МФ ЮА по ТУ 14-1156-74, толщиной 30 мм (табл. 3) стабильность горения дуги переменного тока и производительность наплавки (табл. 4). Механические свойства металла шва оценивали по величинам временного сопротивления разрыву и относительному удлинению, определяемых

5 на образцах тип П по ГОСТ 6996-66 при испытаниях на статическое растяжение при температуре 20 С и по величине ударной вязкости, определяемой при испытаниях на ударный изгиб образцов тип Vl no

10 ГОСТ 6996-66 (образцы Менаже) при температурах 20 и -70 С.

Стабильность горения дуги переменного тока оценивали по величине минимального напряжения холостого хода

15 трансформатора, при которой достигается устойчивое горение дуги без обрывов, определяемой на анализаторе ACI1-2, Как видно из данных табл. 4 сварочные электроды вариантов 2-4, в соответствии с предлагае20 мым изобретением, обеспечивают стабильное горение дуги переменного тока от трансформатора с напряжением холостого хода (70 + 2) В. При изменении процентного содержания компонентов в покрытии и

25 коэффициента массы покрытия, выходящих за пределы предлагаемого изобретения, стабильное горение дуги переменного тока достигается при использовании трансформатора с напряжением холостого хода не

30 менее 75 В, Как видно из приведенных данных электроды вариантов 2-4 обеспечивают металл шва с временным сопоотивлением разрыву не менее 700 Нlмм и ударную вязкость при температуре -70 C не менее 50

35 Дж/см, а также стабильное горение дуги от трансформатора с напряжением холостого хода(70 2) В. Испытания сварочныхэлектродов вариантов 1, 5, 6 — 9 показали, что ни один из них не обеспечивает одновременно

40 стабильного горения дуги переменного тока от трансформатора с 14 x = (70 "2) В и требуемого уровня механических свойств металла шва, сварочно-технологических характеристик электродов, что позволяет сде45 лать вывод о правильности выбранных пределов содержания компонентов в покрытии, коэффициента массы покрытия предлагаемого сварочного электрода.

Предлагаемый сварочный электрод, 50 предназначенный для сварки ответственных конструкций из низколегированных высокопрочных сталей, преимущественно с пределом текучести 600-650 Нlмм в ниж2 нем положении обладает рядом техниче55 ских преимуществ по сравнению с прототипом: обеспечивает высокую хладостойкость металла шва при требуемом уровне прочности; обеспечивает стабильное горение дуги переменного тока от транс10

1821319

Таблице !

Сойерманве, мас. ф, а покрытии состава .

Компонент

7,5

7,0

16

2,0

10 .7

7 1 . 7.5

6,5 . 70 2,2 1.в

1,7 2.0 .

l2,4 !0,7

7,5

Т,О

1.6

2.0

10,4

6,0

5,0 з,е

1,6

t3,о

7.В .

7,3

2.2 ов

6,0

6.0 з.о

1.6 зд в.о

6.О з.о !.в !

3.0

5.5

5Ë

Э,5

t,5

13.5

Плавикоеый шпаг

Ферромаргвнец

Ферросилипий

Никель /порошок/

Марганец

Органические плести фикв торы

Молибден /порошок/

Глинозем

Полевой шпет

Рттил

Железный порошок

Козффийиент массы. покрытия

D/4

О;5

3,4 2,9

i1.7

60,О

Э.о, о,з

Э.в г,л

11,9

5ОД гг

1,0

3,!

3.4

t4;5

45,0

2,5. 0.5

3.4

2.9

11.7

so.ç

2.2 .10

3.1 З;4 !

46.0

2.0

15 гзв

3,9

15,0

45,3

2.0 о.в

3,2 . з,г

t3,7

47,4

2.2

t.0

3.1

3,4

14 5

46.0

3.4

2,9 !!А

so,î

2.1

2,3!

40 г,о 150

2.1

2.4

2.4

2,t

150 2.1

2.0

Тавлии ° 2 форматора с Ок x = (701- 2) В; обладает высокими сварочно-технологическими свойствами.

Ориентировочная потребность народного-хозяйства в предлагаемом сварочном электроде составит 1000 т в год.

Формула изобретения

Сварочный электрод для сварки низколегированных высокопрочных сталей, состоящий из стального низкоуглеродистого сердечника с нанесенным на него покрытием, содержащим плавиковый шпат, рутил, ферромарганец, ферросилиций, железный порошок, магнезит, глинозем, пластификатор. отличающийся тем, что. с целью повышения хладостойкости металла wsa до температуры-70 С при сварке низколегированных высокопрочных сталей преимущественно с пределом текучести 600-650 Н/мм, покрытие дополнительно содержит никель, молибден, полевой шпат. à в качестве пластификаторов — смесь электродной целлюлозы и карбоксиметилцеллюлозы (соотношение в смеси 87:13), при следую5 щем соотношении компонентов, мас, : плавиковый шпат . 6,00 — 7,5 рутил: 11.7 — 14,5 ферромарганец 6.0-7.0 ферросилиций .. 1,8-3,0

10 никелевый порошок 1,7 — 2,0 магнезит - 10,7-13,0 указанные пластификаторы 2;2-2,5 молибденовый порошок 0,5-1,0

18 глинозем : .. 3,1-3,4 полевой шпат 2,9-3,4 железный порошок: . 46,0-50.0 причем коэффициент массы покрытия с0ставляет 145-160, при соотношении

20 О/б -2;1.;.2,3, где d — диаметр стержня, мм, 9 — диаметр покрытия, мм.

1921319

Таблица 3

П р и меча н и е: В таблице приведены средние значения не менее трех определений, Таблица 4

Составитель В. Поздняков

Техред М.Моргентал Корректор С, Патрушева

Редактор С. Кулакова

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 2084 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5