Способ сварки плавящимся электродом углеродистых и низколегированных конструкционных сталей

Изобретение относится к технологии сварки продольных и кольцевых швов изделий из углеродистых и низколегированных конструкционных сталей толщиной от 4,0 до 30,0 мм. На свариваемые поверхности наносят флюс-пасту в виде покрытия из порошка Y₂O₃ или CaO с размером зерен до 39 мкм, разведенного в спирте в массовом соотношении 1:3. Получают покрытие с плотностью нанесения оксида 0,045-0,055 г/см² и относительной массовой концентрацией оксида в зоне расплава сварочной ванны, равной 1,8-2,2%. Сварку осуществляют в смеси защитных газов, состоящей из 82 об.% аргона и 18 об.% углекислого газа. Технический результат заключается в увеличении области допустимых отклонений заданных параметров сварочного процесса без ухудшения механических свойств сварного соединения для изделий толщиной 4-30 мм. 2 табл.

 

Изобретение относится к технологии сварки продольных и кольцевых швов изделий из углеродистых и низколегированных конструкционных сталей толщиной от 4,0 до 30,0 мм.

Известен способ сварки плавящимся электродом со сквозным проплавлением, при котором металл сварочной ванны удерживают за счет сил поверхностного натяжения из-за нанесенной флюсовой пасты на поверхность стыка со стороны корня шва, состоящей из нескольких фторидов CaF₂–BaF₂–SrF₂. Этот способ служит для повышения качества сварных соединений материалов из углеродистых и низколегированных сталей толщиной от 4,0 мм до 6,0 мм [S. G. Parshin (2012): Using ultrafine particles of activating fluxes for increasing the productivity of MIG/MAG welding of steels, Welding International, 26:10, P. 800-804].

Однако известный способ невозможно использовать для сварки сталей более 6 мм, вследствие возникновения на поверхности расплавленной сварочной ванны шлакового слоя переменного состава из-за образования комплексных соединений, не препятствующих проникновению ионов кислорода к расплаву сварочной ванны, которые уменьшают величину поверхностного натяжения и момент силы, изгибающий поверхность расплавленного металла в сторону увеличения геометрических параметров обратного валика.

Известен способ сварки с помощью поверхностно-инактивного компонента в виде ZrO₂ наносимого на обратную сторону стыка размерностью до 60 мкм и толщиной покрытия 200-300 мкм, который позволяет увеличить объем расплавленного металла сварочной ванны, удерживаемый в разделке [Способ управления формированием корневого шва / П.П. Красиков, О.А. Полесский, А.В. Савинов, И.Е. Лапин // Известия ВолгГТУ. Сер. Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении. Вып. 10. - Волгоград, 2014. - № 23 (150). - C. 128-130].

Однако при данном способе нанесения покрытия нет возможности проконтролировать толщину и равномерность нанесенного оксидного слоя, что в свою очередь ухудшает формирование обратного валика, а именно приводит к прожогам и неравномерности получаемых геометрических параметров по длине шва, ухудшая механические свойства получаемого соединения.

Наиболее близким является способ сварки корневого шва с разделкой кромок в смеси защитных газов 82 об.% аргона и 18 об.% углекислого газа, с применением флюсовой пасты на основе Al₂O₃ для стабилизации геометрических параметров получаемого сварного соединения [Stabilization of Root Parameters for Shielded Arc Welding / P.P. Krasikov, A.V. Savinov, O.A. Polesskiy, A.A. Chudin, L.S. Krasikova, I.V. Kozlov, D.S. Borisov and V.V. Filippov // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. Vol. 1118 : International Conference on Mechanical Engineering and Modern Technologies (MEMT 2020) (Tomsk, Russia, 26-30 October, 2020) / Tomsk Polytechnic University. – [IOP Publishing], 2021. – 5 p. – DOI: 10.1088/1757-899X/1118/1/012012].

Недостатком данного способа является ограниченность применения по толщине изделия до 10 мм и параметрами режима сварки.

Задачей предлагаемого технического решения является разработка способа сварки плавящимся электродом в смеси защитных газов 82%Ar+18%CO₂ углеродистых и низколегированных конструкционных сталей, обеспечивающего минимальный размер обратного валика в широком диапазоне параметров режима сварки и толщин изделия без ухудшения механических свойств сварного соединения.

Технический результат заключается в увеличение области допустимых отклонений заданных параметров сварочного процесса без ухудшения механических свойств сварного соединения для изделий толщиной 4-30 мм.

Технический результат достигается в способе сварки плавящимся электродом углеродистых и низколегированных конструкционных сталей, при котором сварка ведется в смеси защитных газов 82 об.% аргона и 18 об.% углекислого газа с помощью флюс-пасты на основе порошка оксида, при этом флюс-паста наносится в виде покрытия из порошка Y₂O₃ или CaO с размером зерен до 39 мкм, разведенного в спирте в массовом соотношении 1:3 и нанесенного на свариваемые поверхности с образованием оксидного покрытия плотностью нанесения оксида в 0,045-0,055 г/см² и относительной массовой концентрации оксида в зоне расплава сварочной ванны равной 1,8-2,2%.

Сущность способа заключается в том, что порошок Y₂O₃ или CaO просеивается с помощью сита №004 по ГОСТ6613-86 размерная сетка сита, обеспечивает разную размерность зерен оксида менее 39 мкм. После чего полученный порошок разводится спиртом в массовом соотношении 1 часть оксида к 3 частям спирта. Полученная суспензия при помощи пульверизатора с диаметром сопла 0,5 мм с расстояния 15 см наносится на свариваемые поверхности с обеспечением за одно нажатие пятна нанесенного покрытия площадью 12,6 см² и поверхностной плотностью 0,0225-0,0275 г/см². Далее сопло пульверизатора перемещается на половину диаметра полученного пятна и наносится второй слой покрытия. При этом получают требуемую плотность нанесения оксида в 0,045-0,055 г/см² и относительную концентрацию оксида в зоне расплава сварочной ванны равную 1,8-2,2%. Далее осуществляется сварка в смеси защитных газов 82 об.% аргона и 18 об.% углекислого газа плавящимся электродом сталей марки Ст3сп толщиной 4 мм с разделкой кромок С2 по ГОСТ 14771-76 и стали 09Г2С толщиной 30 мм с разделкой кромок С17 по ГОСТ 14771-76.

Применение оксидного покрытия плотностью нанесения оксида 0,045-0,055 г/см² и массовой концентрацией в зоне сварочной ванны в диапазоне 1,8-2,2% приводит к получению обратного валика с параметрами, не выходящими за пределы допустимых по ГОСТ 14771-76. При этом повышение поверхностного натяжения на границе между контактирующим оксидом и жидкой сварочной ванны позволяет расширить диапазон параметров режима сварки. При контакте двух фаз с различной работой выхода электрона на границе между двумя точками вблизи границы контакта возникает контактная разница потенциалов, которая препятствует проникновению к границе расплавленной сварочной ванны ионов кислорода О^2- и окислению сварочной ванны с образованием FeO уменьшающего поверхностное натяжение расплавленной сварочной ванны.

Учет размера частиц и выполнение заданных параметров поверхностной плотности нанесенного покрытия создает высокую адгезию между частицами оксида и поверхностью металла, вследствие чего не происходит его осыпание во время сварки и, соответственно, уменьшения объема сварочной ванны, что в свою очередь обеспечивает стабильность получения геометрических параметров обратного валика в широкой области допустимых отклонений заданных параметров сварочного процесса.

Расширение диапазона параметров режима сварки в смеси защитных газов 82 об.% аргона и 18 об.% углекислого газа позволяет увеличить диапазон допустимых отклонений заданных параметров сварочного процесса без ухудшения механических свойств сварного соединения, что значительно облегчает сварочный процесс.

Уменьшение концентрации оксида в зоне сварочной ванны ниже заявленного интервала приводит к увеличенному провисанию обратного валика, уменьшению диапазона режимов сварки, в которых параметры обратного валика находятся в допуске. При высоте обратного валика более 2 мм, происходит уменьшение прочности сварного соединения из-за насыщения металла сварочной ванны газами и появления пор в корне шва. Увеличение концентрации оксида в зоне сварочной ванны выше заявленного интервала не приводит к существенному изменению нормируемого показателя высоты обратного валика.

Экспериментальные данные, подтверждающие расширение диапазона параметров режима сварки в смеси защитных газов 82 об.% аргона и 18 об.% углекислого газа для пластин из стали марки Ст3сп (разделка по ГОСТ 14771-76-С2) толщиной 4 мм с использованием оксидного покрытия из Y₂O₃ приведены в таблице 1.

Таблица 1

Относительная концентрация оксида в зоне сварочной ванны, %	Параметры режима сварки	Временное сопротивление разрыва, МПа	Высота обратного валика, мм
скорость подачи электрод-ной проволоки Vп.п., м/ч	напряжение на дуге, Uд., В	скорость сварки Vсв., м/ч
1,6	100	26	34	--	несплавление
	200	27		460-465	1,5
	300	29		2,0
	400	33	440-455	3,0
	250	26	24	--	прожог
			34	440-455	1,7
			44	1,0
48	--	несплавление
1,8	100	26	34	460-465	0,1
	200	27			0,9
	300	29			1,7
	400	33	2,0
	250	26	24	460-465	1,8
			34		1,4
			44		0,8
48	0,4
2,0	100	26	34	460-465	0,3
	200	27			1,0
	300	29			1,8
	400	33	1,9
	250	26	24	460-465	2,0
			34		1,5
			44		0,9
48	0,2
2,2	100	26	34	460-465	0,2
	200	27			1,1
	300	29			1,9
	400	33	2,0
	250	26	24		2,0
			34		1,6
			44		0,5
48	0,1
2,4	100	26	34	--	несплавление
	200	27		460-465	1,4
	300	29		2,0
	400	33	--	прожог
	250	26	24	прожог
			34	460-465	1,8
			44	0,15
48	--	несплавление
Механические свойства основного материала (Ст3сп) по ГОСТ 535-2005	460-465	-
-

Экспериментальные данные, подтверждающие расширение диапазона параметров режима сварки в смеси защитных газов 82 об.% аргона и 18 об.% углекислого газа для пластин из стали марки 09Г2С (разделка по ГОСТ 14771-76-С17) толщиной 30 мм с использованием оксидного покрытия из CaO приведены в таблице 2.

В таблице 2 для пластин из стали марки 09Г2С (разделка по ГОСТ 14771-76-С17) толщиной 30 мм приведены параметры обратного валика, получаемые в результате сварки, выполненной в соответствии с параметрами по прототипу (толщина пластины 10 мм, смесь защитных газов 82 об.% аргона и 18 об.%, флюс-паста на основе Al₂O₃).

Нормируемый показатель высоты обратного валика по ГОСТ 14771-76-С2 составляет 1,0±1,0 мм, нормируемый показатель высоты обратного валика по ГОСТ 14771-76-С17 составляет 0^+2,0 мм.

Таблица 2

Относительная концентрация оксида в зоне сварочной ванны, %	Параметры режима сварки	Временное сопротивление разрыва, МПа	Высота обратного валика, мм
скорость подачи электродной проволоки Vп.п., м/ч	напряжение на дуге, Uд., В	скорость сварки Vсв., м/ч
1,6	350	26	34	--	несплавление
	400	27		482-485	1,2
	500	29		2,5
	600	33		470-475	3,2
	700	34	--	прожог
	550	29	20	--	прожог
			24	482-485	2,0
			34		1,0
			44	0,2
48	--	несплавление
1,8	350	26	34	482-485	0,5
	400	27			1,1
	500	29			1,5
	600	33			1,7
	700	34	2,0
	550	29	20	482-485	2,0
			24		1,7
			34		1,5
			44		1,3
48	0,2
2,0	350	26	34	482-485	0,2
	400	27			1,2
	500	29			1,4
	600	33			1,5
	700	34	1,8
	550	29	20	482-485	1,8
			24		1,6
			34		1,4
			44		1,0
48	0,4
2,2	350	26	34	482-485	0,3
	400	27			1,2
	500	29			1,5
	600	33			1,7
	700	34	1,8
	550	29	20		1,9
			24		1,7
			34		1,6
			44		1,1
48	0,3
2,4	350	26	34	--	несплавление
	400	27		482-485	1,1
	500	29			1,4
	600	33			1,5
	700	34	1,9
	550	29	20	--	прожог
			24	482-485	1,7
			34		1,6
			44		1,0
48	0,3
по прототипу	400	26	34	--	несплавление
	420	27			0,5
	480	29			1,0
	550	30			2,0
600	32	прожог
Механические свойства основного материала (09Г2С) по ГОСТ 19281-2014	480-485	--

Таким образом, способ сварки плавящимся электродом углеродистых и низколегированных конструкционных сталей в смеси защитных газов 82 об.% аргона и 18 об.% углекислого газа с помощью флюс-пасты в виде покрытия из порошка Y₂O₃ или CaO с размером зерен до 39 мкм, разведенного в спирте в массовом соотношении 1:3 и нанесенного на свариваемые поверхности с образованием оксидного покрытия плотностью нанесения оксида в 0,045-0,055 г/см² и относительной массовой концентрации оксида в зоне расплава сварочной ванны равной 1,8-2,2%, обеспечивает увеличение области допустимых отклонений заданных параметров сварочного процесса без ухудшения механических свойств сварного соединения для изделий толщиной 4-30 мм.

Способ сварки плавящимся электродом углеродистых и низколегированных конструкционных сталей, при котором сварку ведут в смеси защитных газов 82 об.% аргона и 18 об.% углекислого газа с помощью флюс-пасты на основе порошка оксида, отличающийся тем, что флюс-пасту наносят в виде покрытия из порошка Y₂O₃ или CaO с размером зерен до 39 мкм, разведенного в спирте в массовом соотношении 1:3, нанесенного на свариваемые поверхности с образованием оксидного покрытия с плотностью нанесения оксида 0,045-0,055 г/см² и относительной массовой концентрацией оксида в зоне расплава сварочной ванны, равной 1,8-2,2%.