Состав порошковой проволоки

Изобретение относится к сварочному производству, а именно к материалам для механизированной сварки в среде защитных газов судостроительных конструкций из низкоуглеродистых и низколегированных сталей, работающих в условиях отрицательных климатических температур. Для обеспечения выполнения качественной сварки во всех пространственных положениях с высокими прочностными свойствами и для повышения прочности и стабильности наплавленного металла проволока содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: рутиловый концентрат 4,8-8,4; полевой шпат 0,8-1,4; электрокорунд 0,4-0,7; кремнефтористый натрий 0,2-0,5; ферросилиций 0,2-0,6; ферромарганец 1,0-2,7; магний 0,4-0,7; железный порошок 3,0-5,5; сталь оболочки - остальное. При этом магний и рутиловый концентрат введены в шихту в отношении 1:12, а электрокорунд и полевой шпат в отношении 1:2. 3 табл.

 

Изобретение относится к сварочному производству, а именно к материалам для механизированной сварки в среде защитных газов судостроительных конструкций из низкоуглеродистых и низколегированных сталей, работающих в условиях отрицательных климатических температур.

Известен состав [А.С. СССР №927461, от 15.05.82, бюл. №18] порошковой проволоки для сварки низколегированных сталей в среде углекислого газа, состоящий из низкоуглеродистой стальной оболочки и порошкообразной шихты, содержащий следующие компоненты, мас.%:

Рутиловый концентрат	20,0-53,0
Ферромарганец	10,0-22,8
Ферросилиций	1,3-6,0
Кремнефтористый натрий	1,0-5,0
Магнезит	1,3-10,0
Электрокорунд	1,6-7,5
Железный порошок	Остальное

При этом коэффициент заполнения - 17%.

Данный состав порошковой проволоки из-за отсутствия ионизирующих элементов и достаточного количества раскислителей не обеспечивает высоких сварочно-технологических свойств и гарантированное отсутствие дефектов в сварном шве.

Известен также ближайший по ингредиентам и достигаемому техническому результату к заявляемому состав порошковой проволоки для сварки в защитных газах [Патент РФ №2166419, опубл. 10.05.2001], содержащий оболочку из низкоуглеродистой стали и порошкообразную шихту при следующем соотношении компонентов проволоки, 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

Такой состав порошковой проволоки для сварки конструкций из низколегированных судостроительных сталей по сравнению с предыдущим аналогом позволяет значительно повысить сварочно-технологические свойства порошковой проволоки.

Однако наличие в составе комплексной лигатуры проволоки-прототипа бора и алюминия зачастую приводит к снижению пластичности металла сварного шва, а применение гигроскопичных материалов типа калийнатриевой силикат-глыбы способствует возникновению дефектов.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение работоспособности сварного соединения конструкции вследствие гарантированной хладостойкости металла сварного шва при отрицательных температурах, при величине относительного удлинения не менее 22%, а также повышение качества сварного шва за счет отсутствия чешуйчатости поверхности металла шва при сварке во всех пространственных положениях, минимальном разбрызгивании, 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, магний, железный порошок, согласно изобретению в составе шихты отношение магния к рутиловому концентрату выдерживается в пропорции 1:12, а электрокорунда к полевому шпату - 1:2 при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Рутиловый концентрат	4,8-8,4
Полевой шпат	0,8-1,4
Электрокорунд	0,4-0,7
Кремнефтористый натрий	0,2-0,5
Ферросилиций	0,2-0,6
Ферромарганец	1,0-2,7
Магний	0,4-0,7
Железный порошок	3,0-5,5
Сталь оболочки	Остальное

Дополнительное введение в шихту порошковой проволоки магния в количествах 0,4-0,7 мас.% и пропорции к рутиловому концентрату в соотношении 1:12 позволяет снизить вероятность появления дефектов в сварном шве за счет высокой раскислительной способности магния, а оксид магния образовывает с рутилом комплексное соединение, переходящее в шлак. Это обеспечивает улучшение качества поверхности металла шва за счет снижения его чешуйчатости и создает плавность сопряжения границы перехода металла шва в основной металл. Кроме того, улучшение качества сварного соединения позволяет получать гарантированную ударную вязкость последнего при отрицательных температурах за счет высокой чистоты сварного металла от неметаллических включений. Это приводит к повышению работоспособности и надежности сварного соединения по сравнению с прототипом.

Снижение количества данного компонента менее 0,4 мас.% или изменение пропорции его введения по сравнению с рутиловым концентратом приведет к увеличению количеств неметаллических включений в металле сварного шва и повышению сложности удаления шлака. Повышение его количества более 0,7 мас.% приведет к нарушению качества поверхности металла шва, лишнему зашлаковыванию.

Наличие в шихте рутилового концентрата в пределах 4,8-8,4 мас.%, полевого шпата в пределах 0,8-1,4 мас.% и электрокорунда в пределах 0,4-0,7 мас.% при условии пропорции электрокорунда к полевому шпату 1:2 обеспечивает легкое отделение шлака от поверхности сварного шва, высокую стабильность горения дуги в процессе сварки и полное покрытие шва шлаком.

Уменьшение содержания этих компонентов или изменение пропорций менее указанных нижних пределов приведет к нарушению стабильности горения дуги и увеличению разбрызгивания электродного металла. Повышение содержания этих компонентов или изменение пропорций более указанных верхних пределов приведет к ухудшению формирования металла шва, отделимости шлаковой корки.

Присутствие в шихте кремнефтористого натрия в количествах 0,2-0,5 мас.% 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 менее 0,2 мас.% увеличивается вероятность возникновения пор в металле шва, приводящих к снижению прочности сварного соединения, а при увеличении содержания более 0,5 мас.% увеличивается содержание вредных для организма человека фтористых соединений.

Содержание ферромарганца оптимально в пределах 1,0-2,7 мас.% и ферросилиция в пределах 0,2-0,6 мас.%, значения этих величин взяты из расчета обеспечения высоких механических свойств металла сварного шва при временном сопротивлении не менее 500 МПа и обеспечении относительного удлинения не менее 22%.

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.

Наличие в шихте железного порошка в оптимальных пределах 3,0-5,5 мас.% способствует улучшению сварочно-технологических свойств при высокой производительности сварки. Изменение этих величин приводит к уменьшению равномерности плавления шихты и оболочки.

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 3-5,0 мм и толщиной стенки 0,5 мм. Расчетный коэффициент заполнения составляет 12-21%. Далее осуществляют волочение проволоки до наружного диаметра (1,0-1,6) мм и прокалку в печи при температуре около 250°С 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 79-88% от общей массы проволоки.

Конкретные примеры составов порошковой проволоки приведены в таблице 1.

Таблица 1.
№	Наименование компонента	Содержание компонентов, мас.%
1	2	3
1.	Рутиловый концентрат	4,8	6,0	8,4
2.	Полевой шпат	0,8	1,0	1,4
3.	Электрокорунд	0,4	0,5	0,7
4.	Натрий кремнефтористый	0,2	0,4	0,5
5.	Магний гранулированный	0,4	0,5	0,7
6.	Ферросилиций	0,2	0,4	0,6
7.	Ферромарганец	1,0	1,9	2,7
8.	Железный порошок	4,2	5,3	5,4
9.	Оболочка из углеродистой стали	88,0	84,00	79,5

Для определения механических свойств экспериментальными образцами порошковых проволок сваривались пластины из стали типа 10ХСНД размером 200×500×14 мм. Сварку осуществляли полуавтоматическим способом на постоянном токе обратной полярности. Режимы сварки представлены в таблице 2.

Таблица 2.
	Положение сварки
нижнее	вертикальное
Ток, А	230	180
Напряжение, В	27	26
Расход СО2, л/мин	16	16
Вылет электрода, мм	20	20
Скорость сварки, м/ч	33	25

В качестве защитной среды были использованы углекислый газ СО₂. При горизонтальном и потолочном положениях скорость сварки составляет 20-25 м/ч. Оптимальные пределы содержания компонентов шихты порошковой проволоки заявленного состава определяли по результатам испытаний ударной работы разрушения металла сварных швов образцов при минус 20°С, по наблюдениям сварочно-технологических свойств проволоки, гладкости поверхности валика и плавности перехода шва в основной металл.

Результаты испытания представлены в таблице 3.

Таблица 3.
Состав порошковой проволоки	Временное сопротивление разрыву, МПа	Относительное удлинение, %	Работа удара при температуре (-20°С), Дж
1	520	29	51
2	570	27	78
3	620	23	62

Как следует из таблицы 3, сварные швы, полученные при использовании порошковых проволок с углеродистой стальной оболочкой и шихтой, изготовленных согласно предлагаемому изобретению при среднем коэффициенте заполнения 16, обладают высокими механическими свойствами, высоким результатом ударной работы разрушения металла сварного шва при отрицательных температурах.

Испытания показали, что наиболее оптимальным составом проволоки является состав №2, у которого ударная работа разрушения металла сварного шва при температуре минус 20°С составляет 51-78 Дж.

Кроме того, сварные швы, полученные порошковой проволокой заявленного состава, имеют высокие показатели качества, 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.

Применение заявленного состава порошковой проволоки для изготовления ответственных сварных конструкций из судостроительных сталей, работающих в условиях отрицательных климатических температур, позволяет выполнить качественную сварку во всех пространственных положениях с высокими прочностными свойствами, а также обеспечивает повышенную прочность и стабильность наплавленного металла.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР №927461, от 15.05.82, бюл. №18.

2. Патент РФ №2166419 от 10.05.2001 - прототип.

Состав порошковой проволоки, содержащий оболочку из низкоуглеродистой стали и порошкообразную шихту, включающую рутиловый концентрат, полевой шпат, электрокорунд, кремнефтористый натрий, ферромарганец, ферросилиций, магний, железный порошок, отличающийся тем, что магний и рутиловый концентрат введены в шихту в отношении 1:12, а электрокорунд и полевой шпат в отношении 1:2 при следующем содержании компонентов, мас.%:

Рутиловый концентрат	4,8-8,4
Полевой шпат	0,8-1,4
Электрокорунд	0,4-0,7
Кремнефтористый натрий	0,2-0,5
Ферросилиций	0,2-0,6
Ферромарганец	1,0-2,7
Магний	0,4-0,7
Железный порошок	3,0-5,5
Сталь оболочки	Остальное