Активирующий флюс для электродуговой сварки
Изобретение может быть использовано при электродуговой сварке легированных сталей вольфрамовым или плавящимся электродом. Активирующий флюс содержит компоненты в следующем соотношении (вес.%): гексафторалюминат лития 20...30, двуокись титана 20...30, оксид алюминия 10...30, а также группу галогенидных солей магния - хлорид магния 10...20, бромид магния 10...20, иодид магния 10...20. Такой состав активирующего флюса обеспечивает снижение образования газовых пор, повышение проплавляющей способности дуги и стабильность формирования сварного шва. 2 табл.
Изобретение относится преимущественно к машиностроению и может быть применено, например, при электродуговой сварке легированных сталей вольфрамовым и плавящимся электродом.
Известен флюс для электродуговой сварки теплоустойчивых и жаропрочных сталей [Паршин С.Г., Казаков Ю.В., Корягин К.Б. Активирующий флюс для электродуговой сварки. Патент РФ №2164849 от 19.04.2001 г.]. Он содержит, вес.%: гексафторалюминат лития 17...25; двуокись титана 17...25; тугоплавкое соединение из группы: двуокись кремния, двуокись германия, двуокись теллура 35...40; хлорид кальция 20...30.
Данный флюс в виде раствора порошка в этиловом спирте наносят на свариваемые кромки деталей, что позволяет увеличить глубину проплавления металла. Хлорид кальция увеличивает сцепление слоя флюса с поверхностью металла, что позволяет стабилизировать процесс поступления флюса в дугу и улучшить формирование шва.
Однако большое количество хлорида кальция и полупроводниковых оксидов в составе флюса увеличивают электропроводимость известного флюса в расплавленном состоянии, что расширяет активное пятно дуги и снижает глубину проплавления металла. Кроме того, состав флюса слабо защищает расплавленный металл от воздействия водорода и азота при сварке во влажной атмосфере и в неблагоприятных условиях.
Известен флюс для электродуговой сварки высокопрочных теплоустойчивых и жаропрочных сталей [Паршин С.Г., Казаков Ю.В., Корягин К.Б. Активирующий флюс для электродуговой сварки. Патент РФ №2198773 от 20.02.2003], принятый за прототип. Он содержит, вес.%: гексафторалюминат лития 20...30; двуокись титана 20...30; окись алюминия 10...30; хлорид кальция 20...30.
Введение во флюс окиси алюминия позволяет уменьшить электропроводимость известного флюса в расплавленном состоянии, что увеличивает эффективность флюса и глубину проплавления металла, сохраняя при этом высокую стабильность формирования шва.
Однако состав флюса также слабо защищает сварной шов от проникновения водорода и азота. В монтажных условиях, например, на открытой площадке, при высокой влажности среды, при ремонте энергетического оборудования, защитная атмосфера вокруг сварочной дуги насыщается влагой, водородом и азотом, которые растворяются в расплавленном металле и образуют в сварочном шве газовые поры [Походня И.К. Газы в сварочных швах. М.: Машиностроение, 1972 г., 256 с.]. Газовые поры являются недопустимыми дефектами, поскольку снижают прочность и герметичность сварных соединений ответственных конструкций.
Технической задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является улучшение качества сварных соединений.
Сущность изобретения заключается в том, что флюс-прототип, содержащий гексафторалюминат лития, двуокись титана и оксид алюминия Al2O3, вместо хлористой соли кальция содержит группу галогенидных солей магния, вес.%:
| Гексафторалюминат лития | 20...30 |
| Двуокись титана | 20...30 |
| Оксид алюминия | 10...30 |
| Хлорид магния | 10...20 |
| Бромид магния | 10...20 |
| Йодид магния | 10...20 |
Такая совокупность известных и новых признаков позволяет получить высокую проплавляющую способность сварочной дуги при хорошем формировании сварного шва без образования газовых пор. Это становится возможным, поскольку группа солей магния активно взаимодействует с влагой и водородом в атмосфере дуги и связывает их в нерастворимые в сварочной ванне газообразные соединения. Одновременно хлорид магния способствует образованию соединений, которые связывают азот в нитриды.
Предлагаемый флюс содержит гексафторалюминат лития Li3AlF6, двуокись титана TiO2, оксид алюминия Al2O3 и группу галогенидных солей магния: MgCl2, MgBr2, MgI2. Компоненты флюса взяты в следующем соотношении, вес. %:
| Гексафторалюминат лития | 20...30 |
| Двуокись титана | 20...30 |
| Оксид алюминия | 10...30 |
| Хлорид магния | 10...20 |
| Бромид магния | 10...20 |
| Йодид магния | 10...20 |
Цель изобретения достигается тем, что в состав флюса вместо малоактивного хлорида кальция вводят группу более активных галогенидных солей магния. Данная группа галогенидных солей магния обладает максимальным давлением паров, имеет различные температуры плавления и кипения и при сварке полностью переходит в парообразное состояние [Уикс К.Е., Блок Ф.Е. Термодинамические свойства 65 элементов, их окислов, галогенидов, карбидов и нитридов. Пер. с англ., М.: Металлургия, 1965 г., 240 с.]. При сварке данная смесь паров окружает дугу и сварочную ванну и препятствует проникновению влаги, водорода и азота в зону сварки.
Соли магния обладают высокой химической активностью по отношению к воде H2O, молекуле Н2 и атому Н водорода и легко связывают водород в нерастворимые в сварочной ванне соединения. Образуемые продукты реакций HF, HCl, HBr, HI имеют высокую энтальпию диссоциации, что благоприятствует сжатию столба дуги за счет отбора теплоты на диссоциацию от границ столба дуги [Замков В.Н., Прилуцкий В.П., Гуревич С.М. Влияние состава флюса на процесс сварки титана неплавящимся электродом. // Автоматическая сварка., 1977 №4, с.22-26 и Скворцов Е.А. К вопросу о механизме контрагирования дуги при сварке по флюсу // Сварочное производство, №4, 1989 г., с.36-38].
В конденсированном состоянии оксид TiO2, входящий в состав флюса, взаимодействует с хлористой солью магния MgCl2, образуя газы TiCl2, TiCl3, TiCl4, которые активно связывают азот N2 в нитрид титана TiN. Это препятствует насыщению азотом сварочной ванны и образованию азотных пор. Хлористая соль магния MgCl2 обеспечивает хорошее сцепление слоя флюса с поверхностью металла. Это препятствует выдуванию флюса потоком дуговой плазмы, поэтому флюс более равномерно поступает в дугу, что обеспечивает стабильное формирование шва.
Соединение гексафторалюминат лития при сварке диссоциирует на соединения LiF и AlF3, которые химически взаимодействуют с двуокисью титана TiO2. При этом образуются соединения TiF4, TiF3, TiF2, которые имеют высокие энтальпии диссоциации и сжимают столб дуги, увеличивая глубину проплавления металла.
В то же время продукты диссоциации гексафторалюмината лития - LiF, AlF3 и группа солей магния: MgF2, MgCl2, MgBr2 являются нейтральными по отношению к оксиду алюминия Al2О3, который уменьшает электропроводимость расплавленного флюса на поверхности сварочной ванны. Это уменьшает диаметр активного пятна дуги и стабилизирует его положение на сварочной ванне, что увеличивает глубину проплавления металла.
Основной причиной образования газовых пор является поглощение водорода расплавленным металлом [Походня И.К. Газы в сварочных швах. М.: Машиностроение, 1972 г., 256 с.]. Источниками водорода при сварке является влага, которая содержится в атмосфере дуги, сварочных материалах, ржавчине и загрязнениях. Вода Н2О при температуре дуги диссоциирует:
H2O↑=Н2↑+1/2 О2↑ и Н2↑=H↑+H↑.
Константа равновесия реакций диссоциации увеличивается с ростом температуры плазмы, которая максимальна в центре дуги и минимальна на ее границе. Удаление влаги и водорода основано на химическом связывании молекул Н2О, H2, атомов Н в газообразные соединения, нерастворимые в сварочной ванне по следующим типам химических реакций:
где Me - металл; G - галоген; к - конденсированная (жидкая или твердая) фаза; г - газообразная фаза. При сварке галогенидная соль может существовать в двух отдельных фазах, которые имеют разные значения энтальпии, энтропии и приведенной энергии Гиббса.
В результате всех типов реакций I...IX количество водорода в зоне горения дуги и в расплавленном металле резко снижается, что предупреждает возникновение газовых пор и повышает качество сварного соединения.
Вероятность химических реакций увеличивается с ростом констант равновесия химических реакций, которые для реакций с солями магния имеют более высокие положительные значения, табл.1
| Таблица 1 | |||||
| Значения логарифма константы равновесия химических реакций lg Kp | |||||
| Тип реакции и температура, К | Соль CaCl2 | Соль MgCl2 | Соль MgBr2 | Соль MgI2 | |
| Тпл=1055 К | Тпл=987 К | Тпл=984 К | Тпл=923 К | ||
| Ткип=2300 К | Ткип=1691 К | Ткип=1500 К | Ткип=1200 К | ||
| I | 1000 | -5,5 | 0,8 | 1 | 2,5 |
| 2000 | -0,9 | 1,9 | 1,9 | 3 | |
| 3000 | 0,5 | 2,1 | 1,93 | 2,5 | |
| 4000 | 1,1 | 2,3 | 1,95 | 1,7 | |
| II | 1000 | -31,8 | -22,7 | -22,5 | -21 |
| 2000 | -9,8 | -5,1 | -5 | -4 | |
| 3000 | -2,8 | 0,6 | 0,4 | 0,8 | |
| 4000 | 0,3 | 3 | 2,5 | 2,9 | |
| III | 1000 | 9,2 | 10,4 | 3,9 | 4,4 |
| 2000 | 5,7 | 6,3 | 0,75 | 0,95 | |
| 3000 | 4,5 | 4,9 | -0,2 | 0,03 | |
| 4000 | 3,7 | 4,1 | -0,5 | -0,3 | |
| IV | 1000 | -23,1 | -18,9 | -19,7 | -19,1 |
| 2000 | -8,5 | -5,9 | -6,3 | -6,05 | |
| 3000 | -3,6 | -1,5 | -1,8 | -1,6 | |
| 4000 | -1,2 | 0,6 | 0,45 | 0,5 | |
| V | 1000 | -22,6 | -14,2 | -14 | -13,5 |
| 2000 | -6,6 | -2,2 | -2,3 | -2,2 | |
| 3000 | -1,3 | 1,7 | 1,6 | 1,5 | |
| 4000 | 1,4 | 3,7 | 3,6 | 3,5 | |
| VI | 1000 | -26,9 | -16,7 | -17,2 | -14,9 |
| 2000 | -7,8 | -2,8 | -2,9 | -1,7 | |
| 3000 | -1,8 | 1,4 | 1,1 | 1,7 | |
| 4000 | 0,6 | 3,1 | 2,6 | 3 | |
| VII | 1000 | -18,1 | -12,8 | -13,7 | -13,1 |
| 2000 | -6,5 | -3,6 | -4,1 | -3,8 | |
| 3000 | -2,7 | -0,56 | -0,97 | -0,7 | |
| 4000 | -0,8 | 0,9 | 0,6 | 0,75 | |
| VIII | 1000 | -9,6 | 0,6 | -0,7 | 2,4 |
| 2000 | -2,2 | 2,7 | 2,7 | 3,8 | |
| 3000 | -0,2 | 3,1 | 2,8 | 3,3 | |
| 4000 | 0,8 | 3,2 | 2,85 | 3,4 | |
| IX | 1000 | 1,25 | 4,45 | 3,6 | 4,16 |
| 2000 | 0,12 | 1,9 | 1,4 | 1,78 | |
| 3000 | -0,35 | 1 | 0,68 | 0,86 | |
| 4000 | -0,64 | 0,44 | 0,2 | 0,29 |
Предложенное количественное соотношение компонентов флюса обеспечивает наиболее эффективное снижение образования газовых пор за счет активного взаимодействия паров флюса с влагой, водородом и азотом. В то же время, данное соотношение компонентов обеспечивает наиболее эффективное их воздействие на концентрацию тепловой мощности сварочной дуги, обеспечивает повышение ее проплавляющей способности и сохраняет стабильность формирования сварного шва.
Флюс готовят путем смешивания предварительно измельченных до размера 50 мкм компонентов. Перед смешиванием компоненты прокаливают при температуре 150-200°С в течение 1,5-2 часов. Полученную смесь флюса разводят в этиловом спирте в соотношении 1:1 и хранят в герметичной стеклянной таре.
Примером применения данного флюса может служить сварка труб конвективного пароперегревателя котла ТГМ-96 диаметром 36×6 мм из стали 12Х1МФ. Флюс наносили на поверхность труб по обе стороны от стыка и на присадочную проволоку Св-08ХМФА диаметром 2 мм слоем толщиной 0,05 мм. Флюс имел состав, вес.%: гексафторалюминат лития 25%; двуокись титана 20%; оксид алюминия 10%; хлорид магния 15%; бромид магния 15%; йодид магния 15%. На другие образцы труб наносили слой флюса-прототипа, который имел состав, вес.%: гексафторалюминат лития 25%; двуокись титана 30%; окись алюминия 20%; хлорид кальция 25%. Сварка труб производилась на открытой монтажной площадке при относительной влажности среды 85%, при наличии потока воздуха, имеющего скорость 7 м/с. Сила тока составляла 100 А, расход аргона 7...8 л/мин. При сварке без флюса наблюдалось плохое формирование, возникали поры и разбрызгивание, стабильность горения дуги была низкой. При сварке по слою флюса формирование шва и стабильность горения дуги улучшились, поры отсутствовали. После сварки сварные соединения подвергали рентгенографическому контролю на рентгенаппарате "Арина-3", табл.2.
| Таблица 2 | |
| Результаты рентгенографического контроля | |
| Вид сварки | Результаты расшифровки рентгенографических снимков |
| 1. Сварка труб без флюса | Цепочки и скопления пор ⊘0,8 и ⊘1,2 мм по 1/3 периметра сварного шва |
| 2. Сварка труб без флюса | Цепочки пор ⊘0,3 мм и отдельные поры ⊘0,8 мм по ¼ периметра сварного шва |
| 3. Сварка труб без флюса | Цепочки пор ⊘0,6 мм и отдельные поры ⊘0,3 мм по 1/3 периметра сварного шва |
| 6. Сварка труб с флюсом-прототипом | Отдельные поры ⊘0,2 мм и 0,5 мм по периметру шва |
| 4. Сварка труб с предлагаемым флюсом | Пор нет |
| 5. Сварка труб с предлагаемым флюсом | Пор нет |
Таким образом, предлагаемый состав флюса, по сравнению с флюсом-прототипом, обеспечивает технический эффект, который выражается в повышении качества сварных соединений и снижении образования газовых пор. Предлагаемый флюс содержит известные доступные компоненты, прост в изготовлении, может быть изготовлен и применен с помощью известных в технике средств. Следовательно, предлагаемый флюс обладает промышленной применимостью.
Активирующий флюс для электродуговой сварки, содержащий гексафторалюминат лития, двуокись титана и оксид алюминия, отличающийся тем, что флюс содержит дополнительно группу галогенидных солей магния, а компоненты взяты в следующем соотношении, вес.%:
| Гексафторалюминат лития | 20-30 |
| Двуокись титана | 20-30 |
| Оксид алюминия | 10-30 |
| Хлорид магния | 10-20 |
| Бромид магния | 10-20 |
| Йодид магния | 10-20 |
