Электрод для сварки высоколегированных и разнородных сталей
Изобретение может быть использовано при сварке высоколегированных сталей, в том числе жаропрочных, жаростойких, коррозионно-стойких с содержанием хрома до 25% и никеля до 30%, а также при сварке разнородных сталей и наплавке облицовочных (переходных) слоев. Электрод выполнен из стержня из аустенитной стали и покрытия, содержащего, мас.%: мрамор 10-28, ферромарганец или марганец 6-15, ферросилиций 1-9, феррохром или хром 5-20, магнезит 3-12, железный порошок 2-10, диоксид титана - остальное. Электрод допускает сварку переменным и постоянным током, существенное улучшение повторного зажигания дуги и отделимости шлака даже из сравнительно узких разделок, а также создание шлака, обеспечивающего возможность ограничения содержания углерода в наплавленном металле. 4 з.п.ф-лы, 2 табл.
Изобретение относится к области ручной дуговой сварки и может быть использовано при сварке высоколегированных сталей, в том числе жаропрочных, жаростойких, коррозионно-стойких, с содержанием хрома до 25% и никеля до 30%, а также при сварке разнородных сталей и наплавке облицовочных (переходных) слоев.
Для сварки упомянутых высоколегированных сталей применяют электроды с покрытием основного вида, т.е. на основе мрамор - плавиковый шпат.
Такие электроды обладают низкой маневренностью в процессе сварки, обусловленной, в частности, требованием поддерживать короткую дугу при выполнении сварки. Кроме того, вследствие низкой эмиссионной способности покрытия дуга не обладает достаточной устойчивостью и эластичностью, возможен крупнокапельный перенос электродного металла через дуговой промежуток, часто обуславливающий повышенное разбрызгивание электродного металла. Сварка такими электродами осуществляется только на постоянном токе, а шлак трудно отделяется, особенно из узких и глубоких разделок.
В какой-то мере эти недостатки могут быть устранены применением электродов с рутиловым, рутилосновным или рутилокислительным покрытием.
В качестве примера такого электрода можно привести электрод для сварки высоколегированных сталей в соответствии с патентом RU 2058224. Электрод состоит из стержня, выполненного из низкоуглеродистой марганецсодержащей или низколегированной проволоки и покрытия. Покрытие включает, мас.%: рутиловый концентрат 15-20; мрамор 7-12; силикат 8-13; ферротитан 6-12; хром и никель в количестве, обеспечивающем суммарное содержание в электроде хрома 9,5-27 и никеля 0,6-19. Кроме того, покрытие содержит ферромарганец и ферросилиций в количестве, обеспечивающем суммарное содержание в электроде марганца 1,5-2,0 мас.%, кремния 0,6-1,5 мас.%, а также по крайней мере один легирующий компонент, выбранный из группы молибден, ниобий, ванадий, вольфрам.
Наиболее близким электродом к предложенному является электрод для сварки высоколегированных сталей в соответствии с патентом RU 2118926. Электрод включает легированный стержень и покрытие. Покрытие содержит компонент с двуокисью титана 30-50%, карбонат металла (мрамор) 15-30%, силикат 5-15%, плавиковый шпат 2-7%, ферротитан 0,5-3,0%, легирующие компоненты, выбранные из группы молибден, ванадий, ниобий, вольфрам - остальное. Покрытие содержит также никель и хром в количестве, обеспечивающем суммарное содержание в электроде никеля 5-27% и хрома 10-26%. Электрод позволяет улучшить сварочно-технологические свойства при сварке в положении, отличном от нижнего. При этом сохраняется высокий уровень служебных характеристик сварного соединения.
К недостаткам электрода можно отнести то, что известные электроды допускают сварку только постоянным током, не обеспечивают легкое повторное зажигание дуги, а отделимость шлака, особенно из узких и глубоких разделок, неудовлетворительна.
Задачей изобретения является получение электрода, допускающего сварку переменным и постоянным током, существенное улучшение повторного зажигания дуги и отделимости шлака даже из сравнительно узких разделок, а также создание шлака, обеспечивающего возможность регулирования (ограничения) содержания углерода в наплавленном металле.
Поставленная задача решается тем, что в электроде для сварки высоколегированных и разнородных сталей, состоящем из стержня, выполненного из стали и нанесенного на него покрытия, содержащего диоксид титана, мрамор, магнезит и феррохром или хром, стержень выполнен из аустенитной стали, а покрытие дополнительно содержит ферромарганец или марганец, ферросилиций и железный порошок при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Мрамор 10-28
Ферромарганец или марганец 6-15
Ферросилиций 1-9
Феррохром или хром 5-20
Магнезит 3-12
Железный порошок 2-10
Диоксид титана остальное.
В частных воплощениях изобретения поставленная задача решается тем, что покрытие в качестве диоксида титана содержит рутил. Кроме того, покрытие содержит сырой магнезит.
Покрытие также может дополнительно содержать, по меньшей мере, один компонент, выбранный из группы, включающей в мас.%: феррониобий - до 10, молибден - до 10, ферромолибден - до 10, никель - до 10, феррованадий - до 10, ферротитан - до 10, доломит - до 10, слюду - до 5, полевой шпат - до 7, бентонит - до 5, гематит - до 5, поташ - до 3, соду - до 3 и волластонит - до 15.
Стержень может быть выполнен из проволоки марок Св-04Х19Н9, Св-04Х18Н8Г2Б, Св-04Х19Н9С2, Св-07Х18Н9Б. Св-07Х25Н13, Св-10Х16Н25М6, Св-01ХН23Н28М3Д3Т.
Сущность изобретения состоит в следующем.
Все компоненты в покрытии подобраны таким образом, чтобы электрод представлял собой электрод с покрытием рутилового, рутилоосновного или рутилокислительного вида.
В покрытии отсутствует плавиковый шпат, который, деионизируя дуговой промежуток, исключает возможность сварки переменным током. Наличие в покрытии диоксида титана и мрамора в заявленном соотношении (в отсутствии плавикового шпата) обеспечивает возможность сварки переменным током.
Совместное введение в покрытие таких компонентов, как ферромарганец или марганец, ферросилиций и железный порошок в заявляемых количествах, позволяет регулировать химический состав и теплофизические и механические свойства наплавленного металла в широком диапазоне.
Кроме того, ферросилиций обеспечивает глубокое раскисление наплавленного металла и снижает склонность к старению.
Марганец или ферромарганец в указанных количествах также улучшают механические свойства при комнатной и повышенных температурах.
Влияние железа состоит в возможности регулирования повторного зажигания дуги и стабилизировать ионную природу шлака.
В качестве диоксида титана может быть использован рутил или чистая двуокись титана либо они могут быть использованы вместе.
Введение сырого магнезита позволяет регулировать коэффициент теплового расширения и отделимость шлака.
Введение в электрод таких компонентов, как феррониобий, молибден или ферромолибден, никель, феррованадий, ферротитан, не является обязательным и зависит от базового состава проволоки, а также от требований к физико-химическим функциональным характеристикам наплавленного металла. Такие добавки, как феррониобий, молибден или ферромолибден, никель, феррованадий, способны улучшить структуру наплавленного металла, а также повышают его служебные характеристики в процессе эксплуатации.
Компоненты из группы, которую составляют доломит, слюда, полевой шпат, бентонит, волластонит, гематит, поташ или сода, также не являются обязательными и вводятся с целью регулирования сварочно-технологических свойств электродов (повышения стабильности дуги, улучшения отделимости шлака, формирования и размеров шва и т.д.) либо для регулирования переноса расплавленного металла в сварочную ванну благодаря изменению поверхностного натяжения в системе шлак-металл при плавлении электрода.
Изобретение реализуется следующим образом.
Для изготовления электродов были использованы стержни из аустенитной проволоки марок Св-04Х19Н9, Св-04Х18Н8Г2Б, Св-04Х18Н8Г2Б, Св-04Х19Н9С2, Св-07Х25Н13,Св-10Х16Н25М6 и др.
Все компоненты покрытия измельчались, перемешивались и смешивались со связующим, в качестве которого использовалось натриевое, натриево-калиевое или калие-натриевое жидкое стекло.
Покрытие наносилось на стержень из проволоки Св-07Х25Н13 (примеры 1-3 составов покрытия по таблице 1), Св-04Х19Н9 (примеры 4-5 по таблице 1) и проволоку Св-10Х16Н25М6 (примеры 6-7 по таблице 1) методом опрессовки, а затем его подвергали сушке и прокалке при 280-300°С в течение 1 часа.
Испытания электродов проводились следующим образом.
Этими электродами согласно нормативным требованиям были сварены встык пластины из стали 20Х23Н13 и 12Х18Н9 толщиной 20 мм, из наплавленного металла которых были изготовлены образцы для механических испытаний при обычных и повышенных температурах, образцы для испытаний на ударную вязкость и образцы для химического анализа наплавленного металла.
В процессе сварки стыковых соединений были выявлены следующие технологические особенности заявляемых электродов:
- легкое зажигание и легкое повторное зажигание дуги;
- устойчивое горение дуги при сварке как постоянным, так и переменным током;
- незначительные потери электродного материала на разбрызгивание;
- очень легкая, а во многих случаях самопроизвольная отделимость шлака, в том числе из разделок стыкового соединения;
- хорошее формирование симметричного шва с мелкочешуйчатой поверхностью при сварке во всех пространственных положениях (кроме вертикального сверху вниз).
В таблице 1 приведены примеры составов покрытий с учетом необходимости делегирования наплавленного металла или дополнительного легирования элементами, которые не предусмотрены базовым составом проволоки.
В таблице 2 приведены свойства, полученные при использовании электродов с данными покрытиями при следующих составах наплавленного металла, в мас.%:
| Состав | С | Si | Mn | Ni | Cr | Мо | N | S | Р | V |
| 1 | 0,08 | 0,54 | 1,7 | 13,0 | 24,6 | - | - | 0,012 | 0,021 | - |
| 2 | 0,07 | 0,48 | 2,3 | 10,5 | 18,1 | 2,5 | - | 0,018 | 0,025 | 0,54 |
| 3 | 0,10 | 0,55 | 1,2 | 25,3 | 15,4 | 6,1 | 0,1 | 0,015 | 0,019 | - |
Как следует из таблицы 2, содержащей результаты механических испытаний наплавленного металла при комнатной и повышенных температурах, электроды согласно изобретению позволяют выполнять сварку сталей 20Х23Н13, 20Х25Н18, 06Х28МДТ и многих других, работающих в различных средах и при высоких температурах в соответствии с их назначением и в зависимости от химического состава наплавленного металла, и обеспечивают эксплуатационную надежность сварных конструкций.
| Таблица 2 | |||||
| № состава покрытия | Свойства | ||||
| Временное сопротивление, σв, МПа | Относительное удлинение, δ, % | Ударная вязкость, Дж/см | Временное сопротивление, σв, Па | ||
| При 550°С | При 800°С | ||||
| 1 | 599 | 43 | 98 | 407 | 163 |
| 2 | 541 | 36 | 91 | 417 | 190 |
| 3 | 609 | 30 | 123 | 374 | 175 |
| 4 | 544 | 38 | 105 | 407 | 191 |
| 5 | 539 | 28 | 99 | 392 | 180 |
| 6 | 585 | 34 | 98 | 1602 | - |
| 7 | 637 | 26 | 143 | 1503 | - |
| 2при 650°С 3 при 650°С |
1. Электрод для сварки высоколегированных и разнородных сталей, состоящий из стержня, выполненного из стали и нанесенного на него покрытия, содержащего диоксид титана, мрамор, магнезит и феррохром или хром, отличающийся тем, что стержень выполнен из аустенитной стали, а покрытие дополнительно содержит ферромарганец или марганец, ферросилиций и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Мрамор 10-28
Ферромарганец или марганец 6-15
Ферросилиций 1-9
Феррохром или хром 5-20
Магнезит 3-12
Железный порошок 2-10
Диоксид титана Остальное
2. Электрод по п.1, отличающийся тем, что покрытие в качестве диоксида титана содержит рутил.
3. Электрод по п.1 или 2, отличающийся тем, что покрытие содержит сырой магнезит.
4. Электрод по п.1, отличающийся тем, что покрытие дополнительно содержит, по меньшей мере, один компонент, выбранный из группы, включающей, мас.%: феррониобий - до 10, молибден - до 10, ферромолибден - до 10, никель - до 10, феррованадий - до 10, ферротитан - до 10, доломит - до 10, слюду - до 5, полевой шпат - до 7, бентонит - до 5, гематит - до 5, поташ – до 3, соду - до 3 и волластонит - до 15.
5. Электрод по п.1 или 2, отличающийся тем, что стержень выполнен из проволоки марок Св-04Х19Н9, Св-04Х18Н8Г2Б, Св-04Х19Н9С2, Св-07Х18Н9Б, Св-07Х25Н13, Св-10Х16Н25М6, Св-01ХН23Н28М3Д3Т.
