СПОСОБ КОНТАКТНОЙ СТЫКОВОЙ СВАРКИ ТРУБ С ГАЗООБРАЗНЫМ ФЛЮСОМ
METHOD OF CONTACT BUTT WELDING WITH GASEOUS FLUX

Предлагаемое изобретение относится преимущественно к машиностроению и может быть применено при контактной стыковой сварке длинномерных изделий, профильного проката и труб.
Известен способ электродуговой сварки (см. Паршин С.Г. Способ электродуговой сварки. Патент РФ №2187415, В23K 9/235 от 01.10.2001 г. Опубликовано 20.08.2002 г.), при котором на внешнюю поверхность свариваемых кромок наносят активирующий флюс, а торцевой поверхности размещают смесь хлористых солей на основе щелочных и щелочноземельных металлов. После нанесения флюса производят дуговую сварку по слою флюса, активирующий флюс и хлористые соли испаряются, воздействуют на процесс плавления металла и формирование сварного шва, что позволяет повысить качество сварных соединений, уменьшить количество газовых пор и окисных шлаковых включений. Однако указанный способ предназначен для дуговой сварки. Наличие на торцевой поверхности хлористых солей, являющихся диэлектриками, не позволяет применить данный способ для контактной стыковой сварки профильного проката и труб.
Известна защитная газовая смесь для дуговой сварки (см. Бадьянов Б.Н., Давыдов В.А., Колупаев Ю.Ф. и др. Защитная газовая смесь. Авторское свидетельство СССР №1199548, В23K 35/38 от 12.03.1981 г. Опубликовано 23.12.1985 г.), состоящая из смеси инертного газа с ацетиленом и гексафторидом серы. Применение газовой смеси позволяет улучшить механические свойства сварного шва при дуговой сварке легированных сталей. Однако указанная смесь разработана для дуговой сварки вольфрамовым электродом. Кроме того, в смеси содержится ацетилен, который является углеводородом и способен насыщать сварной шов водородом и снижать сопротивление образованию холодных трещин. Эти недостатки не позволяют применить указанную смесь для контактно-стыковой сварки труб из закаливающихся легированных сталей.
Известен способ контактной стыковой сварки оплавлением (см. Пасечник Н.В., Сивак Б.А., Новицкий А.Ф. и др. Способ контактной стыковой сварки оплавлением полос с подачей защитного газа в зону сварки и устройство для его осуществления. Патент РФ №2424094, В23K 11/04 от 03.03.2010 г. Опубликовано 20.07.2011 г.), который принят за прототип. Согласно этому способу, контактную стыковую сварку стальных полос осуществляют в устройстве, которое обеспечивает газовую защиту свариваемых кромок за счет подачи в зону сварки восстановительного или нейтрального газа. Указанный способ позволяет предупредить образование окисных пленок на торцах свариваемых деталей и улучшить качество сварных соединений. Однако указанный способ по прототипу предназначен для контактной стыковой сварки проката сплошного сечения - полос на специализированных металлургических линиях. Кроме того, указанный способ предполагает применение при сварке водорода, углеводородов, азота и их смесей, что может приводить к насыщению водородом и азотом сварных соединений из легированных сталей. Эти недостатки не позволяют использовать указанный способ для контактной стыковой сварки труб из легированных сталей.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является улучшение механических характеристик сварного шва при контактной стыковой сварке труб за счет подачи внутрь свариваемых труб смеси инертного газа с газообразным галогенидом.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что во внутреннюю полость труб перед сваркой подают смесь инертного газа с газообразным галогенидом или смесью газообразных галогенидов, при следующем соотношении инертного газа и газообразных галогенидов, %, масс., доли смеси:
Инертный газ - 80…97;
Газообразные галогениды - 3…20.
В качестве инертного газа применяют аргон, гелий или смесь аргона с гелием. Газообразный галогенид выбирают из группы: фторид кремния, хлорид кремния, фторид бора, фторид серы, фреон. Инертный газ и газообразный галогенид подают из стальных баллонов через редуктор в газовый смеситель, где образуется газовая смесь. Из газового смесителя газовая смесь подается во внутреннюю полость труб. После заполнения внутренней полости труб газовой смесью производится контактная стыковая сварка труб оплавлением.
Насыщение сварного шва водородом является основной причиной водородной хрупкости (см. стр.321 в монографии: Походня И.К., Явдошин И.Р., Пальцевич А.П. и др. Металлургия дуговой сварки. / И.К. Походня, И.Р. Явдошин, А.П. Пальцевич и др. - Киев: Наукова Думка, 2004. - 445 с.). Водородная хрупкость приводит к снижению пластичности, ударной вязкости, снижению предела текучести сварного шва.
Для удаления водорода из сварного шва при контактной сварке можно применить способ химического связывания водорода и водяного пара в нерастворимые в сварочной ванне соединения HF, HCl (см. стр.32-36 в монографии: Походня И.К., Явдошин И.Р., Пальцевич А.П. и др. Металлургия дуговой сварки. Взаимодействие металла с газами / И.К. Походня, И.Р. Явдошин, А.П. Пальцевич и др. - Киев: Наукова Думка, 2004. - 445 с.).
2
2
3
Расчеты констант равновесия металлургических реакций водорода и водяного пара с фторидом кремния, хлоридом кремния, фторидом бора, фторидом серы, фреоном-12 (CFCl), фреона-13 (CFCl) и другими фреонами показывают высокую вероятность реакций по удалению водорода при формировании сварного шва:
4
2
SiF+2Н=Si+4HF; lgK(T)=-27856/Т+8,93
4
2
2
SiF+2HO=SiO+4HF; lgK(T)=-5484/Т+4,17
4
2
4
SiCl+4Н=SiH+4HCl; lgK(T)=15384/T+2,7
4
2
2
SiCl+H=SiH+2HCl; lgK(T)=15600/T+8,84
3
2
2
BF+H=BHF+HF; lgK(T)=-6579/T+1,148;
3
2
2
2
3
3BF+6H+3O=(HBO)+9HF; lgK(T)=-9150/T+4,596;
3
2
2
BF+2HO=HBO+3HF; lgK(T)=-12614/T+7,029;
3
2
2
2
4
2BF+4HO+H=B(OH)+6HF; lgK(T)=17574/T+1,409;
3
2
2
BF+HO=BOHF+HF; lgK(T)=-1006/T+0,103;
3
2
2BF+3H=2B+6HF; lgK(T)=-34002/T+62,7;
3
2
2
3
2BF+3HO=BO+6HF; lgK(T)=-5340/T+55,7;
6
2
3SF+7H=2HS+12HF; lgK(T)=32164/T+47,195;
6
2
2
3SF+4H=HS+6HF; lgK(T)=24382/T+19,81.
2
2
2
4
2CFCl+2H=CCl+4HF+C; lgK(T)=13168/T+7,252;
2
2
2
4
2CFCl+2H=CF+4HCl+C; lgK(T)=18172/T+6,33;
3
2
3
CFCl+H=CHF+HCl; lgK(T)=5299/T+0,558;
3
2
4
2CFCl+2H=CF+2HF+2HCl; lgK(T)=14856/T+6,71;
4
2
CCl+2H=С+4HCl; lgK(T)=12057/T+14,5;
4
2
2
CCl+2HO=CO+4HCl; lgK(T)=7339,5/T+19,3.
Газообразные галогениды: фторид кремния, хлорид кремния, фторид бора, фторид серы, а также фреоны, состоящие из фторуглеродов и хлоруглеродов, имеют высокую химическую активность по связыванию водорода и водяного пара.
Их введение в зону формирования сварного шва по отдельности или в виде многокомпонентной смеси, способствует снижению содержания остаточного диффузионного водорода в сварном шве. Уменьшение остаточного водорода в шве способствует снижению твердости, повышению пластичности, ударной вязкости и предела текучести сварных соединений.
Оптимальное содержание газообразного галогенида в газовой смеси составляет 3…20% масс., доли смеси. При содержании в газовой смеси галогенидов менее 3% масс., доли смеси не происходит заметного улучшения механических характеристик сварного шва. При содержании в газовой смеси галогенидов более 20% масс., доли смеси происходит ухудшение формирования и механических характеристик сварного шва.
Примером применения данного способа может служить сварка труб конвективного пароперегревателя энергетического котла ТГМ-96, диаметром 36 мм с толщиной стенки 6 мм из теплоустойчивой стали марки 12Х1МФ.
6
2
Соединяемые трубы зажимали в электродах машины для контактной стыковой сварки оплавлением МСО-604-УХЛ4. Аргона высшего сорта по ГОСТ 10157-79 и газообразный галогенид: гексафторид серы SF по ТУ 6-02-1249-83 смешивали с помощью газового смесителя и подавали через шланг внутрь свариваемых труб при давлении 3 кгс/см. После продувки газовой смесью газовой магистрали и труб в течение 15 секунд включали сварочную машину и производили сварку труб оплавлением по заданной циклограмме. Для сравнения, по аналогичному режиму сваривали трубы в воздухе без подачи газовой смеси.
Из полученных сварных соединений, изготавливали образцы по ГОСТ 6996-66, которые подвергали механическим испытаниям на разрывной машине ИР 6055-500-0 и измеряли твердость сварного шва ультразвуковым твердомером «УЗИТ-3» с алмазной пирамидой Виккерса при нагрузке 20 Н, табл.1.
Таблица 1
Механические свойства сварных соединений труб из стали 12Х1МФ
Условия сварки
Предел текучести, МПа
Относительное удлинение, %
Твердость шва, НВ
На воздухе без газообразного флюса
31,5
15
270
В смеси: аргон + 3% SF<sub>6</sub>
38,5
18,2
255
В смеси: аргон + 10% SF<sub>6</sub>
40,8
25
220
В смеси: аргон + 20% SF<sub>6</sub>
39,4
19,8
245
В смеси: аргон + 25% SF<sub>6</sub>
33,1
15,3
266
Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает технический эффект, который выражается в улучшении механических характеристик сварных соединений труб, может быть применен с использованием известных в технике средств, следовательно, он обладает промышленной применимостью.