СОСТАВ ЭЛЕКТРОДНОГО ПОКРЫТИЯ
ELECTRODE COATING COMPOSITION

Предлагаемое изобретение относится к материалам для электродуговой сварки и может быть использовано как покрытие электродов для сварки корневого, заполняющих и облицовочного слоев шва неповоротных и поворотных стыков трубопроводов, а также металлоконструкций из углеродистых и низколегированных сталей.
Известны электродные покрытия, содержащие карбонаты щелочноземельных металлов, плавиковый шпат, ферромарганец, ферросилиций, ферротитан, кварцевый песок, алюмосиликаты, легирующие и пластификаторы для сварки металлоконструкций [Давыденко В.Д. Справочник по сварочным электродам. Ростовское книжное издательство, Ростов-на-Дону, 1961; Бондин И.П. Справочник сварщика, М. - Л., 1965; И.А.Закс. Электроды для дуговой сварки сталей и никелевых сплавов: Справочник-пособие, СПб: WELKOME, 1996; РЕЦЕПТУРА ЭЛЕКТРОДОВ ДЛЯ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ СВАРКИ И НАПЛАВКИ. Основные паспортные данные. Киев, ИЭС им. Е.О.Патона, 1996].
Обеспечивая механические свойства соединений по типу Э50А согласно ГОСТ 9467-75 и сварочно-технологические характеристики, необходимые для качественного выполнения швов соединений металлоконструкций, эти электроды обладают и некоторыми основными недостатками:
1) не обеспечивают содержания диффузионного водорода в наплавленном металле по международной пробе ISO/FDIS 3690:1999(Е) ниже 10 мл/100 г, что повышает вероятность образования трещин в соединениях низколегированных сталей и относит эти электроды к группе 15Н по международной классификации, ограничивая область их применения;
2) обмазочные свойства этих покрытий не обеспечивают промышленного изготовления электродов с концентричностью покрытия, требуемого для сварки стыков труб (разнотолщинность е≤0,08 мм, интегральный показатель разнотолщинности по длине электрода Δе≤0,03 мм), что объясняется как недостаточными пластическими свойствами покрытия, так и его недостаточной однородностью, обеспечиваемой сухим и мокрым замесом;
3) не обеспечивают качественного выполнения корневых швов стыков трубопроводов из-за неудовлетворительного формирования их обратного валика, особенно в потолочном и нижнем положениях, и неудовлетворительной формы лицевой поверхности корневого шва (с наплывами и провисами);
4) не обеспечивают необходимой стойкости против порообразования в корневых швах и тем самым возможность их качественного, бездефектного выполнения;
5) не обеспечивают сварку на прямой полярности, при которой достигается большая проплавляющая способность, необходимая для надежного проплавления корня соединения при стандартной и практически доступной в трубопроводном строительстве точности разделки кромок стыка и его притупления.
Наиболее близким к предлагаемому является электродное покрытие, содержащее следующие компоненты, мас.% [патент РФ №2220833; ТУ 1272-018-01627014-2002]:
карбонаты щелочно-земельных металлов
44-46
плавиковый шпат
9-11
песок туфогенный
19-23
ферросиликомарганец
6-8
ферросилиций
6-7
алюминий
0,5-1,5
рутиловый концентрат
2-5
железный порошок
3-6
поташ или сода
0,5-1,0
пластификаторы
1,5-2,0
Электроды с таким покрытием лишены недостатков «3», «4», «5», но им присущи недостатки «1» и «2» указанных выше известных электродов.
Целью настоящего изобретения является снижение содержания диффузионного водорода в наплавленном металле без ухудшения сварочно-технологических характеристик электрода и улучшение опрессовочных свойств покрытия для уменьшения его разнотолщинности и повышения постоянства его концентричности по всей длине электрода.
Поставленная цель достигается введением порошка фторопласта и вещества дефомикс при следующих соотношениях компонентов, мас.%:
карбонаты щелочно-земельных металлов
43-46
плавиковый шпат
9-11
песок туфогенный
18-22
ферросиликомарганец
6-8
ферросилиций
6-7
алюминий
0,5-1,5
рутиловый концентрат
2-5
железный порошок
3-5
поташ или сода
0,5-1,5
пластификаторы
1,5-2,0
фторопласт
1,0-1,5
дефомикс
0,14-0,17
Для проведения контрольных испытаний были изготовлены электроды диаметром 3,0 мм с составами покрытий, представленными в табл.1. Количество жидкого стекла для всех вариантов было одинаково 25-27% от веса сухой шихты. Модуль стекла 2,8-3,0, плотность 1,42-1,44 г/см, вязкость 600-800 сП.
Таблица 1
№№ п.п.
Наименование компонента покрытия электрода
Состав сухой шихты покрытия
Известный состав ЛБ-52TRU, патент РФ №2220833
Заявляемое решение
Варианты
1
2
1
Карбонаты щелочно-земельных металлов
44,0
46,0
43.0
2
Плавиковый шпат
11,0
9,0
11,0
3
Песок туфогенный
19,0
22,0
18,0
4
Ферросиликомарганец
8,0
8,0
6,0
5
Ферросилиций
7,0
7,0
6,0
6
Алюминий
1,0
0,5
1,5
7
Рутил
5,0
2,0
5,0
8
Железный порошок
3,0
3,0
5,0
9
Пластификаторы
1,5
1,5
2,0
10
Сода
1,0
0,5
1,5
11
Фторопласт
-
1,0
1,5
12
Дефомикс
-
0,14
0,17
В качестве вводимых согласно предлагаемому изобретению новых веществ использовались фторопласт марки «ПН» и дефомикс по ТУ5870-004-58042865-04.
Покрытие наносилось на металлические стержни диаметром 3,0 мм из проволоки Св08А способом опрессовки по технологии, разработанной на базе типового технологического процесса ОСТ 5.9786-76, применительно к условиям и промышленному оборудованию предприятия - изготовителя электродов.
Для изготовления стержней использовалась проволока Св08А по ГОСТ 2246-70.
В процессе изготовления установили, что по технологичности опрессовки предлагаемые электроды превосходят прототип, имеют более гладкую поверхность, чему способствовал введенный порошок фторопласта, у них также отмечалась меньшая склонность к прилипанию на рамках при провяливапии электродов, чему способствовал введенный дефомикс.
Технологические испытания предлагаемых электродов проводились в сравнении с электродом-прототипом на постоянном токе обратной и прямой полярностей при сварке неповоротных стыков труб 159×10 из стали 20. Стыки выполняли при горизонтальном положении оси труб (вертикальный стык) и вертикальном положении оси труб (горизонтальный стык). Электроды за 2 часа до сварки прокалили при t=350-370°C.
В результате сравнительных технологических испытаний установили, что по сварочно-технологическим свойствам:
- первичное зажигание дуги;
- повторное зажигание дуги при холодном электроде;
- разбрызгивание;
- устойчивость горения дуги;
- минимально допустимый ток при сварке;
- формирование корневых, заполняющих и облицовочных швов в различных пространственных положениях;
- отделимость шлака;
- возможность сварки на обратной и прямой полярности
предлагаемые электроды и прототип равнозначны, обеспечивают качественное выполнение неповоротных стыков труб. В отличие от ожидавшегося по фторопласту у предлагаемых электродов отмечалось более «мягкое» горение дуги и несколько лучшее отделение шлака, близкое к самоотделению, с корневого валика шва. Контроль сплошности металла шва радиогрифированием и ультразвуком неповоротного стыка труб, выполненного электродом с предлагаемым покрытием, как и у прототипа, показал отсутствие пор и других дефектов.
В табл.2 приведены данные испытаний на содержание диффузионного водорода в наплавленном металле по более точной, чем глицериновая, международной пробе ISO/FDIS 3690:1999(Е), выполненных в ИЭС им. Е.О.Патона.
Таблица 2
Содержание [Н] диф. по пробе ISO/FDIS 3690:1999(Е)
Электрод с покрытием-прототипом
Электрод с заявленным покрытием
<img file="00000001.tif" he="11" wi="32" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000002.tif" he="11" wi="30" img-content="undefined" img-format="tif" />
2
Таким образом, предлагаемое покрытие обеспечивает решение первой из поставленных изобретением целей: снижение содержания диффузионного водорода без ухудшения сварочно-технологических свойств электрода. Это объясняется наличием в предлагаемом покрытии более легко, чем флюорит (CaF), поддающегося диссоциации соединения фтора - фторопласта.
Выявление решения предлагаемым покрытием и второй из поставленных изобретением целей (уменьшение разнотолщности покрытия при опрессовке е и повышение его постоянства по всей длине электрода Δе) подтверждается замерами концентричности промышленно изготовленных электродов с известным и предлагаемым покрытиями. Замеры разнотолщинности покрытия проводились по ГОСТ 9467-75 в трех точках электрода: начале, середине и конце. Значение Δе вычислялось как разница между максимальным и минимальным значениями е для каждого отдельного электрода [Боровицкий И.Н. Управление качеством сварочных электродов в процессе их изготовления. М.: Издательство ИКАР, 2001].
Электроды предлагаемые и прототип на транспортере зачистной машины произвольно отбирали для замеров в начале смены, середине смены и конце смены по 50 шт каждого. Результаты измерений значений е с помощью электромагнитного эксцентриметра и вычисление Δе показали, что они соответственно лежали в пределах:
- для электрода-прототипа - 0,01-0,15 и 0,02-0,05
- для электродов с предлагаемым покрытием - 0,01-0,08 и 0,01-0,03
Статистическая обработка результатов замеров по известным для нормального распределения формулам [Пустыльник Е.И. Статистические методы анализа и обработки наблюдений. М., Наука, 1967] показала, что указанные значения е и Δе для тех и других электродов соблюдаются с вероятностью 98%.
Таким образом предлагаемое покрытие решает и вторую цель изобретения: уменьшения разнотолщинности покрытия и повышение ее постоянства по всей длине электрода.
Учитывая наличие у прототипа предлагаемых электродов покрытий с резко отличительными значениями е и Δе как удовлетворяющими, так и не удовлетворяющими требованиям трубопроводного строительства, положительный эффект у предлагаемого покрытия следует, прежде всего, объяснить не улучшением его пластичности, а повышением однородности его мокрого замеса за счет наличия в нем дефомикса. Это косвенно подтверждается и данными по содержанию диффузионного водорода в металлах, наплавленных предлагаемыми электродами и прототипом: у последних большая дисперсия показателей содержания этого газа в наплавленном металле.
В табл.3 приведены данные механических испытаний и химических анализов металла шва, выполненных электродом с покрытием-прототипом и заявленным, которые показывают, что они тоже не претерпели недопустимых изменений и отвечают требованиям типа Э50А согласно ГОСТ 9467-75.
Данные испытаний электродов
Таблица 3
Вариант электрода по табл.1
Механические свойства шва
Содержание в наплавленном металле, %
Предел прочности, δв, МПа
Относит. удлинение, δs, МПа
Уд. вязкость, Дж/см
KCV
KCV -30°
С
Si
Mn
S
P
Прототип
<img file="00000003.tif" he="5" wi="17" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000004.tif" he="5" wi="19" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000005.tif" he="4" wi="14" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000006.tif" he="3" wi="10" img-content="undefined" img-format="tif" />
0,10
0,49
0,850
0,024
0,023
1
<img file="00000007.tif" he="5" wi="18" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000008.tif" he="5" wi="17" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000009.tif" he="4" wi="16" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000010.tif" he="4" wi="11" img-content="undefined" img-format="tif" />
0,09
0,51
0,81
0,020
0,024
2
<img file="00000011.tif" he="4" wi="15" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000012.tif" he="5" wi="17" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000013.tif" he="4" wi="15" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000014.tif" he="4" wi="11" img-content="undefined" img-format="tif" />
0,10
0,50
0,84
0,022
0,025
Варьирование составом предлагаемого покрытия при его разработке показало, что только при выдерживании содержания компонентов в заявляемых пределах обеспечиваются требуемые результаты.
Так уменьшение содержания фторопласта не обеспечивало требуемого снижения содержания диффузионного водорода в наплавленном металле, а повышение - приводило к ухудшению устойчивости горения дуги и повышению разбрызгивания.
Увеличение содержания дефомикса ухудшало технологичность опрессовки покрытия, в частности, ввиду расслаивания брикетов при опрессовке мокрого замеса в брикет-прессе и потере брикетом формы, нужной для заправки электродообмазочного пресса. Уменьшение же содержания дефомикса уменьшало до незначительного положительный эффект его присутствия при мокром замесе покрытия.
Изменения содержаний других компонентов шихты заявляемого покрытия приводило к нежелательным эффектам, характерным для покрытия-прототипа.
Таким образом, изменение пределов содержания любого из компонентов заявляемого состава покрытия приводит к потере свойств электродов, определяемых целью изобретения. Следовательно, только заявляемая совокупность компонентов покрытия обладает существенными отличиями и обеспечивает достижение поставленной изобретением цели.
Опытные партии электродов с разработанным покрытием, которым ввиду аналогичности их назначений, как и прототипу, оставлена марка ЛБ-52TRU, испытаны в УМС ОАО «Краснодаргазстрой» и рекомендованы для сварки трубопроводов наряду с импортными электродами.
Техническим преимуществом электродов с разработанным покрытием в сравнении с прототипом является обеспечение ими существенно более низкого содержания диффузионного водорода в наплавленном металле, являющегося основной причиной трещинообразования в сварных соединениях.
Технологическим преимуществом электродов с разработанным покрытием в сравнении с прототипом является возможность их промышленного выпуска с разнотолщинностью покрытия, значительно меньшей требуемой ГОСТ 9466-75, характерной для импортных электродов ведущих зарубежных производителей и отвечающей потребностям трубопроводного строительства.
Экономическим преимуществом электродов с разработанным покрытием является их значительно меньшая стоимость в сравнении с зарубежными аналогами, используемыми, как правило, для сварки и ремонта магистральных и технологических нефте- и газопроводов.
Так, при существующих индексе цен на используемые компоненты покрытия и стоимости квалифицированной рабочей силы стоимость электродов для сварки трубопроводов с предлагаемым покрытием не превышает 60-65 тыс.рублей за 1 т, против 110-130 тыс. рублей для импортных аналогов.