Способ сварки плавящимся электродом
CONSUMABLE ELECTRODE WELDING METHOD

Изобретение относится к сварочному производству и может быть использовано при изготовлении металлоконструкций.
Известен способ сварки плавящимся электродом в защитных газах, который ведут на критическом токе, который рассчитывается в зависимости от теплофизических свойств металла электрода и его размеров: диаметра и вылета [Патент RU № 2250157, МПК B23K9/173, 2005].
Недостатком данного изобретения являются ограничения, накладываемые на режимы сварки: узкий диапазон регулировки сварочного тока и напряжения на дуге.
Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является способ сварки плавящимся электродом, при котором сварку ведут на заданных значениях силы сварочного тока, напряжения на дуге, скорости сварки, диаметра и вылета электродной проволоки, а силу сварочного тока, напряжение на дуге и скорость сварки рассчитывают для каждого параметра по соотношениям [Патент RU № 2252847, МПК B23K9/00, B23K9/173, 2005].
Недостатком данного изобретения является то, что при работе на открытом воздухе, существует риск образования дефектов в сварном шве в связи с недостаточной защитой реакционной зоны шва.
Техническая задача изобретения заключается в разработке технологии сварки высокопрочных сталей (предел текучести более 420 МПа) плавящимся электродом в защитном газе, характеризующейся высоким качеством швов сварных соединений, при исполнении в заводских условиях.
Технический результат изобретения достигается тем, что в способе сварки плавящимся электродом, сварку осуществляют при сварочном токе 120 – 310 А и напряжении 18 – 33 В, при этом подачу проволоки осуществляют со скоростью 4 – 12 м/мин, а вылет проволоки поддерживают в диапазоне 10 – 30 мм.
Состав плавящегося электрода состоит из следующих элементов, мас.: C не более 0,10, Si 0,5-0,9, Mn 1,2-1,6, Cr 0,06-0,1, Ni 0,8-1,2, Cu 0,1-0,8, Ti 0,05-0,1, Al 0,01-0,025, остальное – железо и неизбежные примеси.
Состав свариваемого материала состоит из элементов, мас.: C 0,1-0,13, Si 0,2-0,4, Mn 1,3-1,7, Cr 0,02-0,04, Ni 0,01-0,03, Cu 0,02-0,05, Al 0,03-0,06, Mo 0,001-0,15, V 0,02-0,04, Nb 0,03-0,06, Ti 0,01-0,02, остальное – железо и неизбежные примеси.
В одном из вариантов исполнения подача газа в зону сварного шва осуществляется с расходом 6-18 л/мин.
В качестве защитного газа может применяться смесь аргона и углекислого газа при соотношении объемных частей (0,7 – 0,9)/(0,3-0,1) соответственно.
Перед началом сварки может осуществляться предварительный подогрев основного металла до температуры 75-115°C на расстоянии не более 35 мм от центра сварного шва.
В одном из вариантов температура между проходами составляет не более 190°C.
2
2
2
В результате могут обеспечиваться механические свойства сварного соединения, имеющие следующие параметры: предел текучести 440 – 490 МПа, предел прочности 600 – 660 МПа, относительное удлинение 16 – 30 %, ударная вязкость 90 – 250 Дж/см при -20°С, 55 – 240 Дж/см при -40, 40 – 100 Дж/см при -60°С.
Сущность заявляемого технического решения заключается в следующем.
Сила тока во время сварки должна быть в пределах 120 – 310 А. При силе тока менее 120 А будет недостаточное проплавление (не достаточное проникновение сварочной ванный в тело основного металла). При силе тока более 310 А будет снижение механических свойств в зоне термического влияния по причине увеличения погонной энергии на мм².
Напряжение во время сварки поддерживают в диапазоне 18 – 33 В. При значениях напряжения меньше 18 В появляется высокий риск несплавления кромок свариваемых деталях/частей. С ростом напряжения свыше 33 В наблюдается появление подрезов глубиной более 0,5мм на всей протяженности сварного соединения.
Скорость подачи проволоки должна быть 4 – 12 м/мин для обеспечения необходимого диапазона регулировки сварочного тока.
Вылет проволоки поддерживают в диапазоне 10 – 30 мм. При вылете проволоки менее 10 мм будет чрезмерная подача защитного газа в зону сварки, что приводит к ламинарному течению (завихрению) и как следствию появлению пористости в сварном соединении, а также невозможности в достаточной мере контролировать процесс сварки.
При вылете проволоки более 30 мм наблюдается недостаточная защита сварочной ванны от кислорода, что так же приводит к образованию пористости в сварном соединении. При вылете проволоки более 30 мм невозможно корректно настроить и выдержать заданное напряжения на дуге.
Предварительный подогрев основного металла до температуры 75-115°C на расстоянии не более 35 мм от центра сварного шва осуществляется с целью предотвращения появления холодных трещин. Подогрев ниже 75°C не рекомендуется по причине риска не сплавления кромок свариваемых деталей, а также в связи с риском появления холодных трещин. Подогрев выше 115°C не рекомендуется по причине риска перегрева и как следствие повышения погонной энергии в процессе сварки.
Температура между проходами не должна составлять более 190°C по причине роста зерна (особенно в зоне термического влияния), что приводит к ухудшению механических свойств сварного соединения.
Для защиты зоны сварного шва от окисления производят подачу защитного газа с расходом 6-18 л/мин. Подача защитного газа с расходом менее 6 л/мин, как правило, вызывает появление пористости в сварном соединении. Подача защитного газа с расходом более 18 л/мин может вызывать завихрения сварочной ванны и ухудшение качества сварного соединения, а также влечёт чрезмерные затраты на сварочный газ.
В качестве защитного газа применяют смесь аргона и углекислого газа в соотношении объемных частей (0,7 – 0,9)/(0,3-0,1) соответственно, для минимизации разбрызгивания и более стабильного горения дуги.
Пример осуществления способа.
Было проведено 10 экспериментов сварки различных деталей (предел текучести более 420 МПа), со следующим химическим составом, мас.%:
Углерод                 0,1 – 0,13
Кремний
0,2 – 0,4
Марганец
1,3 – 1,7
Хром
0,02 – 0,04
Никель
0,01 – 0,03
Медь
0,02 – 0,05
Алюминий
0,03 – 0,06
Молибден
0,001 – 0,15
Ванадий
0,02 – 0,04
Ниобий
0,03 – 0,06
Титан
0,01 – 0,02
Во всех случаях (8 экспериментов), когда параметры сварки удовлетворяли заявляемым, свойства сварного шва отвечали требуемым качественным характеристикам. В двух экспериментах, когда ряд параметров сварки выходили за рекомендованные диапазоны, наблюдалось ухудшение качества сварного шва и снижение его механических характеристик.
Таким образом, разработанный способ сварки плавящимся электродом высокопрочных сталей позволяет получать сварные соединения с высоким качеством сварного шва.