Состав порошковой проволоки

 

Изобретение относится к сварочному производству, а именно к материалам для механизированной сварки в среде защитных газов конструкций из средне- и низколегированных сталей, работающих в условиях отрицательных климатических температур. Состав порошковой проволоки содержит оболочку из стали с содержанием углерода в количестве не более 0,06 мас.%, серы и фосфора - каждого не более 0,015 мас.% и порошкообразную шихту, содержащую, мас.%: рутиловый концентрат 4,35-8,35, полевой шпат 0,50-1,50, 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 0,35-0,75 и сталь оболочки - остальное, при этом комплексная лигатура содержит следующие компоненты, мас.%: бор 0,055-0,085, магний 2,8-3,6, алюминий 1,2-1,8, литий 0,026-0,03, железо - остальное. Техническим результатом изобретения является повышение работоспособности сварного соединения за счет увеличения хладостойкости металла сварного шва при температурах до минус 40°С, а также повышение качества сварного шва за счет увеличения гладкости поверхности металла шва при обеспечении плавности границы его перехода к основному металлу. 3 табл.

Изобретение относится к сварочному производству, а именно к материалам для механизированной сварки в среде защитных газов, и может быть использовано для изготовления ответственных сварных конструкций из средне- и низколегированных сталей, работающих в условиях отрицательных климатических температур до минус 40^oC.

Известен состав [1] порошковой проволоки для сварки низколегированных судокорпусных сталей в среде углекислого газа, состоящий из малоуглеродистой стальной оболочки и порошкообразной шихты, и содержащий следующие компоненты, мас.%: Плавиковый шпат - 3-5 Двуокись титана - 4,5-6 Ферромарганец - 1,0-1,5 Железный порошок - 3,0-3,2 Двуокись циркония - 1-3 Глинозем - 1,5-2,0 Фтористый цезий - 0,2-0,3 Ферросилиций - 0,5-0,9 Лигатура (хром-никель-молибден-железо) - 3-4
Медный порошок - 1,0-1,2
Малоуглеродистая сталь оболочки - Остальное
Данный состав порошковой проволоки для сварки судокорпусных конструкций за счет указанных компонентов шихты и их соотношений обеспечивает достаточно высокие сварочно-технологические свойства проволоки и пластические характеристики наплавленного металла соединения: хорошее формирование сварочного шва и легкую отделимость шлаковой корки.

Однако из-за отсутствия в данном составе шихты проволоки компонентов с высокими модифицирующими свойствами, последняя не позволяет получить требуемые механические свойства металла шва при отрицательных температурах до минус 40^oC. Так, значение ударной вязкости металла сварного шва не превышает 3 кгсм/см² при температуре минус 40^oC, что указывает на невозможность получения металла шва с требуемой сопротивляемостью хрупким разрушениям и, следовательно, обуславливает недостаточную хладостойкость сварного соединения конструкции.

Известен также ближайший по ингредиентам рудоминеральной и легирующей частям и достигаемому техническому результату к заявляемому состав [2] порошковой проволоки для сварки в защитных газах, содержащий оболочку из углеродистой стали и порошкообразную шихту при следующем соотношении компонентов проволоки, мас.%:
Мрамор - 0,1-1,2
Плавиковый шпат - 3-7
Глинозем - 4-6
Двуокись титана - 0,1-3,9
Двуокись циркония - 0,6-0,9
Фтористый натрий - 1,1-1,5
Ферросилиций - 0,2-0,8
Никель - 1-3
Марганец - 0,1-2
Железо - 3,5-10
Алюминий - 0,02-0,1
Ниобий - 0,01-0,06
Стальная оболочка - Остальное
Такой состав порошковой проволоки для сварки конструкций из низколегированных сталей по сравнению с предыдущим аналогом позволяет достигнуть эффекта повышения ударной вязкости металла шва при отрицательных температурах (при минус 40^oC) до 6,0 кгсм/см² при сохранении требуемых сварочно-технологических свойств порошковой проволоки, который обусловлен наличием в шихте тугоплавких добавок - порошков ниобия, алюминия и марганца, способствующих модифицированию структуры шва и его раскислению, а также наличием мрамора и фтористого натрия, улучшающих формирование шва и его газовую защиту.

Недостатком состава порошковой проволоки-прототипа является то, что при сварке конструкций из сталей с пределом текучести от 385 до 550 МПа уровень хладостойкости металла сварного шва является недостаточным при отрицательных температурах до минус 40^oC из-за недостаточной степени модифицирующего эффекта порошков ниобия, алюминия и марганца, ухудшающего ударную вязкость сварного шва при отрицательных температурах. Это приводит к уменьшению сопротивляемости металла шва хрупким разрушениям и работоспособности сварного соединения конструкций.

Кроме того, присутствие в шихте проволоки-прототипа, в большом количестве шлакогазообразующих компонентов, например мрамора, способствует ухудшению сварочно-технологических свойств проволоки, приводящему к образованию чешуйчатости на поверхности металла сварного шва и ухудшению плавности границы его сопряжения с основным металлом, что снижает качество сварного соединения, обуславливающего ухудшения его работоспособности в условиях знакопеременных нагрузок при отрицательных температурах и необходимость механической зачистки поверхности шва под окраску.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение работоспособности сварного соединения конструкции вследствие увеличения хладостойкости металла сварного шва при отрицательных температурах до минус 40^oC, а также повышение качества сварного соединения за счет увеличения гладкости поверхности металла шва при обеспечении плавности границы его перехода к основному металлу.

Технический результат достигается тем, что в составе порошковой проволоки, содержащей оболочку из низкоуглеродистой стали и порошкообразную шихту, включающую рутиловый концентрат, полевой шпат, электрокорунд, кремнефтористый натрий, ферромарганец, ферросилиций, железный порошок и легирующую составляющую, согласно изобретению шихта дополнительно содержит калийнатриевую силикат-глыбу, а в качестве легирующей составляющей - комплексную лигатуру, включающую дополнительно бор, алюминий, магний и литий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Рутиловый концентрат - 4,35-8,35
Полевой шпат - 0,50-1,50
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 - 0,15-0,45
Комплексная лигатура - 0,35-0,75
Оболочка из низкоуглеродистой стали - Остальное
при этом оболочка содержит углерод в количестве не более 0,06 мас.%, а серу и фосфор - каждого не более 0,015 мас.%.

Кроме того, комплексная лигатура шихты может содержать компоненты в следующем соотношении, мас.%:
Бор - 0,055-0,085
Магний - 2,8-3,6
Алюминий - 1,2-1,8
Литий - 0,026-0,038
Железо - Остальное
Дополнительное введение в шихту порошковой проволоки калийнатриевой силикат-глыбы в указанных количествах позволяет дополнительно повысить вязко-пластические свойства расплавленного металла из-за наличия очищающего эффекта у данного компонента, который отсутствует у компонентов прототипа. Это обеспечивает улучшение качества поверхности металла шва за счет снижения ее чешуйчатости и создает плавность сопряжения границы перехода металла шва в основной металл. Все это улучшает качество сварного соединения по сравнению с прототипом. Кроме того, наряду с улучшением качества сварного соединения присутствие калийнатриевой силикат-глыбы в шихте позволяет также повысить ударную вязкость последнего при отрицательных температурах до минус 40 С за счет высоких ионизирующих свойств данного компонента. Это приводит к повышению работоспособности и надежности сварного соединения по сравнению с прототипом.

Снижение количества данного компонента менее указанного нижнего предела приведет к повышению сложности удаления шлака.

Повышение его количества выше верхнего предела приведет к нарушению качества поверхности металла шва, лишнему зашлаковыванию.

Присутствие в шихте порошковой проволоки в качестве легирующей составляющей комплексной бормагнийалюминийлитиевой лигатуры обуславливает увеличение раскисления металла и улучшение модифицирования структуры металла шва по сравнению с легирующей составляющей у проволоки-прототипа. Это приводит к повышению хладостойкости металла шва в области отрицательных температур и надежности сварного соединения по сравнению с прототипом.

Уменьшение содержания комплексной лигатуры в шихте менее указанного нижнего предела приведет к увеличению склонности металла шва к трещинам и снижению ударной вязкости последнего в области отрицательных температур.

Повышение содержания лигатуры в шихте выше указанного верхнего предела приведет к значительному росту прочности шва, но снижению его пластичности.

Наличие в шихте рутилового концентрата, полевого шпата и электрокорунда в указанных количествах обеспечивает легкое отделение шлака от поверхности сварного шва, высокую стабильность горения дуги в процессе сварки и полное покрытие шва шлаком.

Уменьшение содержания этих компонентов ниже указанных нижних пределов приведет к нарушению стабильности горения дуги и увеличению разбрызгивания электродного металла.

Повышение содержания этих компонентов выше указанных верхних пределов приведет к ухудшению формирования металла шва, отделимости шлаковой корки.

Присутствие в шихте кремнефтористого натрия в указанных количествах улучшает формирование шва и его газовую защиту, способствует очищению металла, что обеспечивает требуемый уровень ударной вязкости металла шва при отрицательных температурах. При уменьшении содержания данного компонента в шихте ниже нижнего предела увеличивает возникновение пор в металле шва, приводящих к снижению прочности сварного соединения, а при увеличении содержания более верхнего предела увеличивается содержание вредных для организма человека фтористых соединений.

Указанные количества ферромарганца и ферросилиция взяты из расчета обеспечения высоких механических свойств металла сварного шва при временном сопротивлении не менее 500 МПа.

Снижение содержания этих компонентов в шихте менее нижних пределов приводит к снижению прочности сварного соединения, а увеличение более верхних пределов - к снижению пластичности металла шва, и как следствие к образованию горячих трещин.

Наличие в шихте железного порошка в указанных количествах способствует улучшению сварочно-технологических свойств при высокой производительности сварки. Выход его содержания за пределы значения уменьшает равномерность плавления шихты и оболочки.

Присутствие в составе углеродистой стальной оболочки указанных элементов в заданных ограничениях позволяет повысить чистоту металла шва и его пластические свойства по сравнению с прототипом. Выход за пределы этих значений приводит к ухудшению указанных эффектов.

Содержание модификаторов - бора, магния и алюминия в комплексной лигатуре шихты в указанных пределах также обеспечивает эффект повышения ударной вязкости металла шва при отрицательных температурах.

Содержание легкоплавкого лития в комплексной лигатуре в указанных пределах повышает качество формирования шлаковой корки.

Уменьшение и увеличение содержания бора, магния и алюминия в лигатуре приведут к снижению ударной вязкости металла шва при отрицательных температурах.

Уменьшение содержания лития в лигатуре приведет к ухудшению кроющейся способности шва, а увеличение - к увеличению шлакообразования.

Сопоставительный анализ заявленной порошковой проволоки с прототипом показал, что последняя отличается от известной содержанием новых компонентов, а именно калийнатриевой силикат-глыбы и бормагнийалюминийлитиевой лигатуры, а также количеством компонентов проволоки.

Таким образом, заявленное изобретение соответствует критерию "новизна".

Анализ других известных составов порошковых проволок, используемых для механизированной сварки стальных конструкций показал, что заявленное изобретение вытекает из них неочевидным образом и, следовательно, соответствует критерию "изобретательский уровень".

Применение заявленного изобретения для изготовления ответственных сварных конструкций из высокопрочных сталей, работающих в условиях отрицательных климатических температур до минус 40^oC обеспечивает ему соответствие критерию "промышленная применимость".

Порошковую проволоку предлагаемого состава изготавливают по следующей технологии.

Материалы шихты предварительно размалывают, просеивают через сито. Затем порошки тщательно перемешивают и засыпают в оболочку из углеродистой стали с диаметром 2,5-3,0 мм и толщиной стенки 0,5 мм. Расчетный коэффициент заполнения составляет 11,2-22%. Далее осуществляют волочение проволоки до наружного диаметра (1,0 - 1,6) мм и прокалку в печи при температуре около 250^oC в течение 3 - 4 часов. После прокалки осуществляют рядную намотку на еврокассеты диаметром 200 мм.

Было изготовлено три состава порошковой проволоки диаметром 1,2 мм условно обозначенных 1, 2, и 3. Сталь оболочки составляет 78 - 88,8% от общей массы проволоки и имеет следующий состав: углерод 0,06 мас.%, марганец 0,30 мас.%, кремний 0,03 мас.%, фосфор - 0,010%, сера - 0,014%.

Составы порошковой проволоки приведены в таблице 1.

Для сварки использовали образцы из стали типа 10ХСНД размером 200x500x14 мм. Сварку образцов осуществляли полуавтоматическим способом на постоянном токе обратной полярности. Режимы сварки представлены в таблице 1а).

В качестве защитной среды были использованы углекислый газ CO₂. При горизонтальном и потолочном положениях скорость сварки составляет 20-25 м/ч. Оптимальные пределы содержания компонентов рудоминеральной и легирующей частей порошковой проволоки заявленного состава определяли по результатам испытаний ударной работы разрушения металла сварных швов образцов при минус 40^oC, по наблюдениям сварочно-технологических свойств проволоки, гладкости поверхности валика и плавности перехода шва в основной металл. Для иллюстрации преимущества порошковой проволоки согласно заявленному составу в таблице 2 приведены сравнительные результаты ударной работы разрушения металла сварных швов, а также величина западания между основным металлом и металлом шва и циклическая прочность, с аналогичными результатами, достижимыми при использовании известной порошковой проволоки, принятой за прототип.

Как следует из таблицы 2, сварные швы, полученные при использовании порошковых проволок с углеродистой стальной оболочкой и шихтой, изготовленных согласно предлагаемому изобретению при среднем коэффициенте заполнения 16, обладают, по сравнению с прототипом, более высокими механическими свойствами, особенно ударной работой разрушения металла шва при отрицательных температурах. При температуре минус 40^oC она составляет 48-58 Дж, а у проволоки-прототипа - 46 Дж. Кроме того, как следует из таблицы 2 сварные швы, полученные порошковой проволокой заявленного состава имеют более высокие показатели качества по сравнению с прототипом: сформированная поверхность металла шва гладкая, практически без наличия на ней чешуйчатости, формирование шва идет с плавным переходом от металла шва к основному металлу за счет лучшей смачиваемости металла шва.

Исходя из результатов испытаний ударной работы разрушения металла шва при минус 40^oC и из визуальных наблюдений гладкости (бесчешуйчатости) поверхности валика металла шва и плавности перехода в основной металл был определен оптимальный состав предлагаемой порошковой проволоки, которым явился состав 2, содержание компонентов рудоминеральной и легирующей частей которого указаны в таблице 1.

Таким образом, предлагаемый состав порошковой проволоки позволяет повысить хладостойкость металла шва при отрицательных температурах до минус 40^oC, что приводит к повышению надежности эксплуатации сварного соединения конструкций, работающих в данных условиях, по сравнению с прототипом.

Кроме того, данный состав порошковой проволоки по сравнению с прототипом обеспечивает повышение качества сварного соединения за счет увеличения гладкости поверхности металла шва при обеспечении плавности границы его перехода к основному металлу, что соответственно допускает возможность выполнять покраску сваренных конструкций без механической зачистки поверхности шва и увеличивает работоспособность сварного соединения.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР N 659329, B 23 K 35/368, 1987 г., БИ N 32.

2. Авторское свидетельство СССР N 1058750, B 23 K 35/368, 1983 г., БИ N 45 - прототип.

Формула изобретения

Состав порошковой проволоки, содержащей оболочку из стали и порошкообразную шихту, включающую ферросилиций, железный порошок и легирующую составляющую, отличающийся тем, что шихта дополнительно содержит рутиловый концентрат, полевой шпат, электрокорунд, кремнефтористый натрий, ферромарганец и калийнатриевую силикат-глыбу, а в качестве легирующей составляющей комплексную лигатуру, содержащую бор, магоний, алюминий, литий и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Рутиловый концентрат - 4,35 - 8,35
Полевой шпат - 0,50 - 1,50
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 - 0,35 - 0,75
Сталь оболочки - Остальное
при этом сталь оболочки содержит углерод в количестве не более 0,06 мас. %, серу и фосфор - каждого не более 0,015 мас.%, а комплексная лигатура содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%:
Бор - 0,055 - 0,085
Магний - 2,8 - 3,6
Алюминий - 1,2 - 1,8
Литий - 0,026 - 0,03
Железо - Остальное

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3