СОСТАВ ЭЛЕКТРОДНОГО ПОКРЫТИЯ
COMPOSITION OF ELECTRODE COAT

Предлагаемое изобретение относится к материалам для дуговой сварки и может быть использовано как покрытие основного вида низководородистых электродов группы Н5 по международной классификации, содержащих в наплавленном металле диффузионного водорода менее 5 мл/100 г по пробе ISO/FDIS 3690 (Е), для сварки во всех пространственных положениях соединений труб и металлоконструкций.
Известны электродные покрытия, содержащие карбонаты щелочно-земельных металлов, плавиковый шпат, ферромарганец, ферросилиций, ферротитан, кварцевый песок, алюмосиликаты, легирующие и пластификаторы [Давыденко В.Д. Справочник по сварочным электродам. Ростов-на-Дону: Ростовское книжное издательство, 1961; Бондин И.П. Справочник сварщика. М.-Л.: «Машиностроение», 1965], например, УОНИ-13/55 состава, % [И.А.Закс. Электроды для дуговой сварки сталей и никелевых сплавов. Справочник-пособие. СПб: WELKOME, 1996]:
мрамор
54
плавиковый шпат
15
кварцевый песок
9
ферромарганец
5
ферротитан
12
ферросилиций
5
Эти электроды, обеспечивая механические свойства наплавленного металла по типу Э50А согласно ГОСТ 9467-75 и сварочно-технологические свойства для качественного выполнения швов соединений металлоконструкций, обладают и некоторыми основными недостатками:
- как и другие известные с таким видом покрытия, не обеспечивают содержания диффузионного водорода в наплавленном металле меньшего 10-11 мл/100 г по пробе ISO 3690, что повышает вероятность образования трещин в соединениях низколегированных сталей и относит эти электроды к группе 15Н по международной классификации, ограничивая область их применения;
- обмазочные свойства этого покрытия не обеспечивают промышленного изготовления электродов с разнотолщинностью покрытия (е) и его постоянством по длине электрода (Δе), предъявляемые к электродам для сварки труб (е<0,08-0,10 мм, Δе<0,03 мм);
- не обеспечивают качественного выполнения швов соединений неповоротных стыков труб из-за неудовлетворительного формирования обратного валика корневых швов и высокой вероятности образования в них пористости.
Известны также электроды ЛБ-52 TRU с покрытием, наиболее близким к предлагаемому, содержащим следующие компоненты, вес.% [патент РФ №2220833, ТУ 1272-018-01621014-2002]:
карбонаты щелочно-земельных металлов
44-46
плавиковый шпат
9-11
ферросиликомарганец
6-8
ферросилиций
6-7
алюминий
0,5-1,5
алюмосилиций безводный
19-23
рутиловый концентрат
2-5
железный порошок
3-6
поташ или сода
0,5-1,0
пластификаторы
1,5-2,0
Электроды с таким покрытием обеспечивают качественное выполнение соединений швов неповоротных стыков труб и пониженное до 8-9 мл/100 г содержание диффузионного водорода в наплавленном металле, что относит их уже к группе Н10 по международной классификации, расширяя область применения.
Однако, обмазочные свойства этого покрытия не обеспечивают промышленного изготовления электродов с его разнотолщинностью и постоянством по длине электрода, требуемых для сварки труб, а содержание диффузионного водорода в наплавленном металле превышает 5 мл/100 г и не позволяет отнести их к группе H5 по международной классификации.
Целью настоящего изобретения является снижение содержания диффузионного водорода в наплавленном металле до значений меньше, 5 мл/100 г по пробе ISO 3690 и улучшение опрессовочных свойств покрытия для обеспечения возможности промышленного изготовления электродов с разнотолщинностью покрытия, необходимой для качественной сварки не только металлоконструкций, но и трубопроводов.
Поставленная цель в части снижения содержания [Н] диф. в наплавленном металле достигается введением в состав покрытия фторопласта и шлифовального порошка нормального электрокорунда, а для улучшения опрессовочных свойств - суперпластификатора бетонов при следующих соотношениях, мас.%:
карбонаты щелочно-земельных металлов
39-43
плавиковый шпат
10-29
рутил
1-4,5
ферросиликомарганец
6,5-7,0
ферросилиций
3,0-5,0
алюмосиликат безводный
11,0-19,0
сода
1,0-1,5
алюминий
0,5-1,3
фторопласт
0,5-3,0
шлифовальный порошок нормального электрокорунда
1,0-5,0
пластификаторы
1,4-2,0
суперпластификатор бетонов
0,14-0,18
3
Для проведения контрольных испытаний были изготовлены электроды диаметром 4,0 мм с составами покрытий, представленных в табл.1. Количество жидкого стекла для всех вариантов было одинаково - 25…27% от веса сухой шихты. Модуль стекла 2,8-3,0, плотность - 1,41-1,42 г/см, вязкость - 500…700 сП.
Таблица 1
№ пп
Наименование компонента покрытия
Состав сухой шихты покрытия, %
Известный состав ЛБ-52 TRU, патент РФ №222083
Заявляемое решение
Варианты
1
2
3
1
Карбонаты щелочно-земельных металлов
44,0
43,0
38,83
39,83
2
Плавиковый шпат
11,0
10,0
27,0
29,0
3
Алюмосиликат безводный
19,0
20,36
11,0
13,0
4
Ферросиликомарганец
8,0
6,7
6,5
7,0
5
Ферросилиций
7,0
5,0
4,0
3,0
6
Алюминий
1,0
1,3
0,5
0,7
7
Рутил
5,0
4,5
2,0
1,0
8
Железный порошок
3,0
-
-
-
9
Сода
1,0
1,5
1,0
1,4
10
Пластификаторы
1,5
2,0
1,5
1,4
11
Фторопласт
-
0,5
3,0
2,5
12
Шлифовальный порошок нормального электрокорунда
5,0
4,5
1,0
13
Суперпластификатор бетона
-
0,14
0,17
0,17
2
2
3
2
2
2
В качестве алюмосиликата безводного использовали череп утильный фарфоровый состава: SiO - 67…72, AlO - 23…28, TiO - 0,21…0,75, CaO - 0,53…0,75, MgO - 0,21…0,86; KO - 1,96…2,9, NaO - 0,64…2,0.
В качестве фторопласта использовался материал «ФТОРОПЛАСТ-4» марки «ПН» по ГОСТ 10007-80.
В качестве шлифовального порошка нормального электрокорунда использовался порошок № 8Н марки 14А по ГОСТ 28818-90.
Пластификаторами служила целлюлоза электродная.
В качестве суперпластификатора бетонов использовался пластификатор с воздухоподавляющим эффектом по ТУ 5870-004-58042865-04.
Покрытие наносилось на металлические стержни диаметром 4,0 мм способом опрессовки по технологии, разработанной на базе типового технологического процесса по ОСТ 5.9786-76 применительно к условиям и промышленному оборудованию предприятия-изготовителя электродов.
Для изготовления стержней использовались проволока 08А по ГОСТ 2246-70.
В процессе изготовления установили, что по технологичности опрессовки предлагаемые электроды превосходят прототип, имеют более гладкую поверхность, чему способствовал введенный мелкодисперсионный порошок фторопласта, у них также отмечалась меньшая склонность к прилипанию на рамках при провеливании электродов, чему способствовал введенный суперпластификатор бетона.
Замеры разнотолщинности покрытия (е) электродов по ГОСТ 9466-75 и оценка ее постоянства по длине электродов (Δе) по значениям в начале, середине и конце электрода [Ворновицкий И.Н. Управление качеством сварочных электродов. М.: Издательство ИКАР, 2001] при объеме выборки 70 электродов показали, что они соответственно лежали в пределах:
- для электрода-прототипа - 0,02…0,15 и 0,02…0,05;
- для электродов с предлагаемым покрытием - 0,02-0,10 и 0,01…0,03, т.е. отвечают требованиям, предъявляемым к трубным электродам.
Такие результаты замеров указывают, прежде всего, на большую однородность смеси мокрого замеса предлагаемого покрытия и возможность серийного производства электродов с качеством опрессовки, необходимым для сварки трубопроводов.
В табл.2 приведены данные механических испытаний и испытаний на содержание диффузионного водорода в наплавленном металле по пробе ISO/FDIS 3690:1999 (Е), требуемой для международной аттестации электродов по группе Н5.
Данные испытаний электродов
Таблица 2
Вариант электродов по табл.1
Механические свойства шва<sup>х)</sup>
Содержание в наплавленном металле
Предел прочности, G6, МПа
Относит. удлинение, G5, %
Уд. вязкость, Дж/см<sup>2</sup>
S
P
[Н] диф., мл/100 г<sup>хх)</sup> по ISO 3690
KCV +20°C
KCV -30°C
%
Прототип
<img file="00000001.tif" he="6" wi="22" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000002.tif" he="6" wi="23" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000003.tif" he="5" wi="19" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000004.tif" he="7" wi="14" img-content="undefined" img-format="tif" />
0,023
0,024
<img file="00000005.tif" he="7" wi="20" img-content="undefined" img-format="tif" />
1
<img file="00000006.tif" he="6" wi="22" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000007.tif" he="6" wi="23" img-content="undefined" img-format="tif" />
Не опр.
<img file="00000008.tif" he="7" wi="19" img-content="undefined" img-format="tif" />
0,017
0,029
<img file="00000009.tif" he="7" wi="19" img-content="undefined" img-format="tif" />
2
<img file="00000010.tif" he="6" wi="24" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000011.tif" he="6" wi="23" img-content="undefined" img-format="tif" />
Не опр.
<img file="00000012.tif" he="8" wi="22" img-content="undefined" img-format="tif" />
0,019
0,027
<img file="00000013.tif" he="8" wi="23" img-content="undefined" img-format="tif" />
3
<img file="00000014.tif" he="6" wi="22" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000015.tif" he="6" wi="24" img-content="undefined" img-format="tif" />
Не опр.
<img file="00000016.tif" he="7" wi="21" img-content="undefined" img-format="tif" />
0,016
0,025
<img file="00000017.tif" he="8" wi="22" img-content="undefined" img-format="tif" />
x) - Основной металл - ст.3 по ГОСТ 380-94
хх) - Выполнены в ИЭС им. Е.О.Патина
Как указывают результаты испытаний, обеспечивая, как и прототип, механические свойства металла шва по типу Э50А согласно ГОСТ 9467-75, электроды с предлагаемым покрытием гарантируют снижение содержания [Н] диф. в наплавленном металле более чем вдвое, ограничив его пределом, меньшим 5 мл/100 г по пробе ISO 3690. Это относит их к группе Н5 по международной классификации.
Таким образом, заявляемый состав покрытия решает обе задачи поставленной цели изобретения.
2
Варьирование составом предлагаемого покрытия при его разработке показало, что только при выдерживании содержаний компонентов в заявляемых пределах обеспечиваются требуемые результаты. При этом отмечено более чем двукратное снижение содержания [Н] диф. в наплавленном металле по сравнению с прототипом, что можно объяснить именно действием введенных в покрытие новых компонентов: фторопласта и шлифовального порошка нормального электрокорунда, поскольку повышение только количества уже имеющегося в покрытии-прототипе плавикового шпата до значений 29% такого эффекта не обеспечивало. Дальнейшее же повышение содержания CaF в покрытии приводило к недопустимому ухудшению сварочно-технологических свойств электродов. К ухудшению свойств электродов приводило и изменение содержания остальных компонентов предлагаемого покрытия, не решая задач дальнейшего снижения содержания [Н] диф. в наплавленном металле и улучшения опрессовочных свойств покрытия.
Таким образом, изменение пределов содержания любого из компонентов заявляемого покрытия приводит к потере свойств, определяемых целью изобретения. Следовательно, только заявляемая совокупность компонентов покрытия обладает существенными отличиями и обеспечивает достижение поставленной изобретением цели.
Опытные партии электродов с разработанным покрытием, изготовленные на промышленном оборудовании линии для серийного производства предприятия НПЦ «Сварочные материалы» (г.Краснодар), испытаны в УМС ОАО «Краснодар-газстрой» и показали свою пригодность по концентричности покрытия и сварочно-технологическим свойствам для сварки магистральных трубопроводов и металлоконструкций, результаты механических испытаний - их соответствие типу Э50А по ГОСТ 9466-75.
Техническими преимуществами электродов с разработанным покрытием в сравнении с прототипом являются более низкое содержание [Н] диф. в наплавленном ими металле, являющегося основной причиной трещинообразования в сварных соединениях, в первую очередь, перспективных низколегированных сталей, относящее их к группе Н5 по международной классификации, и возможность их промышленного выпуска с разнотолщинностью покрытия, требуемой для качественной сварки не только металлоконструкций, но и трубопроводов.
Экономическим преимуществом электродов с разработанным покрытием является возможность использования в качестве одного из основных (по объему) компонентов не только природных безводных алюмосиликатов, но и части отходов фарфоровой промышленности (череп утильный фарфоровый), возможные объемы реализации которого вполне могут обеспечить фарфоро-фаянсовые предприятия страны.