Способ сварки неплавящимся электродом углеродистых и низколегированных конструкционных сталей
METHOD FOR NON-CONSUMABLE ELECTRODE WELDING OF CARBON AND LOW-ALLOY STRUCTURAL STEELS

Изобретение относится к технологии сварки продольных и кольцевых швов изделий из углеродистых и низколегированных конструкционных сталей толщиной от 3,0 до 20,0 мм.
Известен способ сварки неплавящимся электродом со сквозным проплавлением, при котором металл сварочной ванны удерживают за счет сил поверхностного натяжения из-за нанесенного оксида на поверхность стыка со стороны корня шва, состоящего из монооксида алюминия, магния, циркония. Этот способ служит для повышения качества сварных соединений материалов с поддувом аргона в потолочном и полупотолочном положении изделий из низколегированных и среднелегированных сталей толщиной свыше 3,0 мм до 6,0 мм [патент SU 1123807, МПК В23 К9/16, 29.09.83].
Однако известный способ невозможно использовать для сварки сталей без поддува аргона, вследствие образования на поверхности расплавленной сварочной ванны шлакового слоя переменного состава, который уменьшает поверхностное натяжение и значительно уменьшает момент силы, изгибающий поверхность расплавленного металла в сторону увеличения геометрических параметров обратного валика. Так же стоит отметить не возможность получения слоя в 0,1 мм при размере сита №018 по ГОСТ 3584-73, у которого размер ячейки на просвет составляет 0,18 мм.
Известен способ сварки с помощью поверхностно-инактивных компонентов наносимых 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 [Влияние поверхностно-инактивных веществ на геометрические размеры корневых швов / П.П. Красиков, О.А. Полесский, А.В. Савинов // Известия ВолгГТУ. Серия «Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении». Вып. 9: межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2014. - № 9 (136). - C. 117-119].
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.
2
3
Наиболее близким является способ сварки корневого шва без разделки с применением флюсовой пасты на основе YO для стабилизации геометрических параметров получаемого сварного соединения [Особенности формирования корневого слоя шва с применением флюс-паст / П.П. Красиков, А.В. Савинов, А.А. Чудин, Д.А. Муругов, А.А. Сазонов // Новые материалы и технологии в машиностроении: сб. науч. тр. / под общ. ред. Е.А. Памфилова; Брянский гос. инженерно-технологический ун-т. - Брянск, 2019. - Вып. 30. - C. 43-47].
Недостатком данного способа является ограниченность применения по толщине изделия и параметрами режима сварки, вследствие отсутствия учета размера частиц и поверхностной плотности нанесенного покрытия. Из-за плохой адгезии между частицами оксида и поверхностью металла происходит его осыпание во время сварки, уменьшение объема сварочной ванны, который может удерживаться в разделке и соответственно, влияет на стабильность получения геометрических параметров обратного валика.
Задачей предлагаемого технического решения является разработка способа сварки неплавящимся электродом 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 3-20 мм.
2
3
2
Технический результат достигается в способе сварки неплавящимся электродом углеродистых и низколегированных конструкционных сталей, при котором аргонодуговая сварка ведется с помощью флюс-пасты на основе порошка оксида, при этом флюс-паста наносится в виде покрытия из порошка YO 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/см и относительной массовой концентрации оксида в зоне расплава сварочной ванны равной 1,8-2,2%.
2
3
2
2
2
Сущность способа заключается в том, что порошок YO 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 см и поверхностной плотностью 0,0225-0,0275 г/см. 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/см и относительную массовую концентрацию оксида в зоне расплава сварочной ванны равную 1,8-2,2%. Далее осуществляется аргонодуговая сварка неплавящимся электродом сталей марки Ст3сп толщиной 3 мм с разделкой кромок С2 по ГОСТ 14771-76 и стали 09Г2С толщиной 20 мм с разделкой кромок С17 по ГОСТ 14771-76.
2
2-
Применение оксидного покрытия плотностью нанесения оксида 0,045-0,055 г/см и относительной 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 и окислению сварочной ванны с образованием FeO уменьшающего поверхностное натяжение расплавленной сварочной ванны.
Расширение диапазона параметров режима сварки 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 1 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 для пластин из стали марки Ст3сп (разделка по ГОСТ 14771-76-С2) толщиной 3 мм с использованием оксидного покрытия из CaO приведены в таблице 1.
В таблице 1 для пластин из стали марки Ст3сп (разделка по ГОСТ 14771-76-С2) толщиной 3 мм приведены параметры обратного валика, получаемые по прототипу.
Таблица 1
Относительная концентрация оксида в зоне сварочной ванны, %
Параметры режима сварки
Временное сопротивление разрыва, МПа
Высота обратного валика, мм
сварочный ток I<sub>св.</sub>, А
напряжение на дуге, U<sub>д.</sub>, В
скорость сварки V<sub>св.</sub>, м/ч
1,6
120
10
16
--
не сплавление
140
11
460-465
0,7
160
12
1,0
180
13
440-455
1,3
190
14
430-440
2,0
230
15
--
прожог
180
13
5
--
прожог
10
440-455
1,2
15
1,3
20
460-465
0,2
25
--
Не сплавление
1,8
120
10
16
460-465
0,1
140
11
0,45
160
12
0,65
180
13
0,84
210
14
0,95
240
15
1,0
180
13
5
460-465
1,0
10
0,95
15
0,65
20
0,45
25
0,25
2,0
120
10
16
460-465
0,2
140
11
0,3
160
12
0,5
180
13
0,6
210
14
0,8
240
15
1,0
180
13
5
460-465
1,0
10
0,8
15
0,6
20
0,4
25
0,2
2,2
120
10
16
460-465
0,2
140
11
0,3
160
12
0,38
180
13
0,62
210
14
0,78
240
15
0,95
180
13
5
0,95
10
0,81
15
0,62
20
0,38
25
0,18
2,4
120
10
16
460-465
Не сплавление
140
11
0,3
160
12
0,38
180
13
0,61
210
14
0,9
240
15
прожог
180
13
5
прожог
10
0,79
15
0,61
20
0,38
25
не сплавление
по прототипу
130
11,0
16
--
не сплавление
150
11,0
0,5
180
11,5
0,7
210
11,6
1,0
220
14
прожог
Механические свойства основного материала (Ст3сп) по ГОСТ 535-2005
460-465
-
-
2
3
Экспериментальные данные, подтверждающие расширение диапазона параметров режима сварки для пластин из стали марки 09Г2С (разделка по ГОСТ 14771-76-С17) толщиной 20 мм с использованием оксидного покрытия из YO приведены в таблице 2.
+1,0
+2,0
Нормируемый показатель высоты обратного валика по ГОСТ 14771-76-С2 составляет 0 мм, нормируемый показатель высоты обратного валика по ГОСТ 14771-76-С17 составляет 0 мм.
Таблица 2
Относительная концентрация оксида в зоне сварочной ванны, %
Параметры режима сварки
Временное сопротивление разрыва, МПа
Высота обратного валика, мм
сварочный ток I<sub>св.</sub>, А
напряжение на дуге, U<sub>д.</sub>, В
скорость сварки V<sub>св.</sub>, м/ч
1,6
150
12
15
--
не сплавление
180
13
480-485
1,0
210
12
2,0
240
14
470-475
3,0
260
15
--
прожог
180
13
5
--
прожог
10
480-485
2,0
15
1,0
20
0,2
25
--
Не сплавление
1,8
150
12
15
480-485
0,6
180
13
1,3
210
12
1,6
240
14
1,8
260
15
2,0
180
13
5
480-485
2,0
10
1,8
15
1,3
20
1,2
25
0,6
2,0
150
12
15
480-485
0,5
180
13
1,2
210
12
1,5
240
14
1,7
260
15
2,0
180
13
5
480-485
2,0
10
1,7
15
1,5
20
1,0
25
0,5
2,2
150
12
15
480-485
0,4
180
13
1,1
210
12
1,4
240
14
1,6
260
15
1,9
180
13
5
2,0
10
1,8
15
1,4
20
1,2
25
0,4
2,4
150
12
15
--
не сплавление
180
13
480-485
1,1
210
12
1,4
240
14
1,6
260
15
1,9
180
13
5
--
прожог
10
480-485
1,8
15
1,4
20
1,2
25
0,4
Механические свойства основного материала (09Г2С) по ГОСТ 19281-2014
480-485
--
2
3
2
Таким образом, способ сварки неплавящимся электродом углеродистых и низколегированных конструкционных сталей, при котором аргонодуговая сварка ведется с помощью флюс-пасты наносенной в виде покрытия из порошка YO 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/см 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 3-20 мм.