АГЛОМЕРИРОВАННЫЙ ФЛЮС ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СВАРКИ КОРРОЗИОННО-СТОЙКОЙ СТАЛИ
AGGLOMERATED FLUX MATERIAL FOR AUTOMATIC WELDING CORROSION-RESISTANT STEEL

Изобретение относится к сварочным материалам, а именно к агломерированным флюсам, и может быть использовано для автоматической сварки коррозионностойкой стали аустенитными сварочными проволоками в различных отраслях промышленности, например в кораблестроении.
Для сварки высокопрочных корпусных сталей, в том числе и коррозионностойких, широко применялись прежде и применяются в настоящее время плавленые пемзовидные сварочные флюсы, такие как флюс марки 48ОФ-6 или его модификация - флюс марки 48ОФ-6М [1].
Однако в настоящее время уровень требований по технологической прочности металла сварных швов в части их сопротивляемости образованию горячих трещин, внешнему виду, обусловленному качеством формирования, а также экологичности и санитарно-гигиеническим характеристикам сварочных флюсов в промышленности значительно возрос. Плавленые флюсы в силу своих особенностей и способа производства уже не обеспечивают этих требований, в связи с чем осуществляется их замена на агломерированные флюсы.
Ближайшим по составу и назначению к заявляемому является агломерированный флюс [2], принятый за прототип, содержащий плавиковый шпат, электрокорунд, обожженный магнезит, марганец металлический, ферротитан, ферробор и связующую добавку, а также сфеновый концентрат, титаномагнетит и ферросилиций в количестве 0,2-0,5 по отношению к количеству марганца металлического, а в качестве связующей добавки - силикат натрия-калия при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Плавиковый шпат
22-30
Электрокорунд
14-25
Обожженный магнезит
22-31
Сфеновый концентрат
10-20
Марганец металлический
1,0-3,0
Ферротитан
1,2-2,8
Ферробор
0,1-0,8
Титаномагнетит
0,4-0,9
Ферросилиций
0,3-1,0
Силикат натрия-калия
7,7-8,9,
при этом отношение суммарного содержания магнезита, плавикового шпата и одной трети сфенового концентрата к двум третям силиката натрия и одной второй электрокорунда выбрано в пределах 1,7-2,3, а отношение ферротитана к ферробору - в пределах 6,0-15,0.
Данный керамический (агломерированный) флюс-прототип, разработанный для автоматической сварки низколегированных сталей, по сравнению с аналогами обеспечивает как высокую хладостойкость сварного шва за счет высокоосновного характера шлакообразующей флюса и за счет наличия в нем сфенового концентрата и титаномагнетита, так и требуемые сварочно-технологические свойства. Недостатком данного флюса-прототипа при сварке коррозионностойкой стали аустенитными сварочными проволоками является сравнительно высокое содержание во флюсе кислых окислов, что приводит к значительному ухудшению сварочно-технологических свойств флюса (появлению пригара на шве, плохой отделимости шлаковой корки) при сварке коррозионностойкой стали аустенитными сварочными проволоками и невозможности обеспечения требуемого формирования сварного шва и его сопряжения с основным металлом, что также сужает технологические возможности флюса.
2
Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание агломерированного флюса, обладающего значительно улучшенными сварочно-технологическими свойствами, путем снижения содержания кислых окислов и повышения нейтральных к металлу шва соединений (CaF), широкими технологическими возможностями за счет обеспечения возможности получения требуемого формирования сварного шва при обеспечении его высокой технологической прочности в части сопротивляемости образованию горячих трещин.
Технический результат достигается тем, что в известный агломерированный флюс для автоматической сварки низколегированных хладостойких сталей, содержащий электрокорунд, плавиковый шпат и ферротитан, и в качестве связующей добавки силикат натрия-калия, дополнительно введены фтористый барий и порошок алюминиево-магниевый, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
электрокорунд
23-29,
плавиковый шпат
65-69,
фтористый барий
3,0-3,5,
порошок алюминиево-магниевый
1,8-2,0,
ферротитан
0,5-3,2,
силикат натрия-калия
6,1-7,5,
при этом суммарное содержание ферротитана и порошка алюминиево-магниевого должно находиться в интервале 2,5-5,0.
Указанные пределы изменения содержания силиката натрия-калия во флюсе определены с учетом наилучшей грануляции флюса при его изготовлении, т.е. диаметра гранул 0,3-2,0 мм.
Введение в состав флюса фтористого бария в указанных количествах позволяет улучшить его сварочно-технологические свойства при сварке за счет снижения металлургической активности флюса при взаимодействии с жидким металлом сварочной ванны, повышения смачиваемости жидкого металла сварочной ванны расплавленным флюсом (шлаком) для улучшения формирования аустенитного сварного шва, а также снизить содержание гидратов во флюсе по сравнению с флюсом-прототипом.
Снижение содержания фтористого бария менее указанного нижнего предела приведет к ухудшению формы сварного шва, а повышение его количества выше верхнего предела - к ухудшению сварочно-технологических свойств (нарушению стабильности горения дуги).
Введение в состав флюса порошка алюминиево-магниевого в указанных количествах позволяет производить оптимальное раскисление металла шва и выводить в шлак неметаллические включения, при этом контролируя их размер, что приведет к очищению металла шва.
Снижение содержания порошка алюминиево-магниевого менее указанного нижнего предела приведет к увеличению неметаллических включений в металле шва, а повышение его количества выше верхнего предела - к появлению пригара на сварном шве, ухудшению отделимости шлаковой корки.
Наличие в составе флюса плавикового шпата и электрокорунда в указанных количествах обеспечивает легкое отделение шлака от поверхности сварного шва и полное покрытие расплавленного металла жидким шлаком, что обеспечивает его полную защиту от окружающего воздуха.
Уменьшение содержания этих компонентов ниже указанных нижних пределов приведет к ухудшению сварочно-технологических свойств, а увеличение их содержания выше указанных пределов - к ухудшению формирования металла шва и отделимости шлаковой корки.
Наличие в составе флюса микролегирующей добавки ферротитана в указанных количествах обеспечивает необходимую технологическую прочность сварного соединения (отсутствие горячих трещин) за счет оптимальной микроструктуры аустенитного металла шва.
Уменьшение содержания микролегирующей добавки ферротитана приведет к увеличению опасности возникновения горячих трещин из-за образования более грубой микроструктуры металла шва.
Превышение содержания ферротитана приведет к ухудшению сварочно-технологических свойств флюса при сварке - появлению пригара на шве и ухудшению отделимости шлаковой корки.
Уменьшение суммарного содержания ферротитана и порошка алюминиево-магниевого во флюсе менее указанного нижнего предела и увеличение более указанного верхнего предела приведет к ухудшению сварочно-технологических свойств флюса (появлению пригара и ухудшению отделимости шлака) и увеличению количества неметаллических включений в металле шва.
Предлагаемый агломерированный флюс для автоматической сварки изготавливают по следующей технологии.
Подготовленные компоненты шихты (просушенные и размолотые до размера гранул 0,2-0,3 мм) взвешиваются дозами на один замес, помещаются в кюбель и транспортируются к смесителю. Смешивание компонентов производится в два этапа: «сухое» и «мокрое» (с жидким раствором силиката натрия-калия). После смешивания влажный флюс поступает на доокатыватель для уплотнения гранул и придания им нужного размера и формы, далее флюс подается в сушильную печь, а затем в прокалочную печь. После охлаждения флюс просеивается, взвешивается и упаковывается.
Было изготовлено пять вариантов составов, близких к составу предлагаемого агломерированного флюса, условно обозначенных I, II, III, IV, V и приведенных в таблице 1. Там же приведен состав агломерированного флюса-прототипа, использованного для сравнения, условно обозначенный VI.
Для сварки с этими флюсами использовали образцы из коррозионностойкой стали марки 04Х19Н5Г11М2БФ размером 200×500×20 мм.
Сварку образцов стыковых соединений осуществляли автоматическим способом одной дугой проволокой марки ЭП-868 диаметром 4 мм на постоянном токе обратной полярности.
Режим сварки стыковых соединений (⌀ проволоки 4 мм) в нижнем положении:
Ток (А)…400-450; напряжение (В)…26-30; скорость сварки (м/ч)…22-24.
В таблице 2 приведены химические составы металла швов, сваренных с использованием приведенных в таблице 1 вариантов составов, а в таблице 3 - механические свойства металла швов и оценка технологических свойств указанных вариантов агломерированного флюса.
Таблица 1
Ингредиенты и их соотношения
Содержание ингредиентов во флюсе
I
II
III
IV
V
VI-прототип
Электрокорунд
22
23
27
29
33
20
Плавиковый шпат
73
69
67
65
59
27
Ферротитан
0,1
3,2
2,0
0,5
3,5
2,4
Фтористый барий
3,9
3,0
3,1
3,5
2,0
-
Порошок алюминиево-магниевый
1,1
1,8
1,9
2,0
2,5
-
Марганец металлический
-
-
-
-
-
2,0
Обожженный магнезит
-
-
-
-
-
28
Ферробор
-
-
-
-
-
0,5
Сфеновый концентрат
-
-
-
-
-
18,8
Ферросилиций
-
-
-
-
-
0,7
Титаномагнетит
-
-
-
-
-
0,6
Силикат натрия-калия (сухой остаток жидкого стекла)
7,1
6,1
6,6
7,5
6,2
8,2
Ферротитан+порошок алюминиево-магниевый
1,2
5,0
3,9
2,5
6,0
-
Таблица 2
Варианты флюса
Содержание элементов в металле шва, %
С
Si
Mn
Ni
Cr
Mo
Ti
S
P
I
0,08
0,29
1,8
23,2
17,9
4,5
0,01
0,012
0,014
II
0,08
0,32
2,8
22,5
18,2
4,8
0,06
0,009
0,012
III
0,09
0,35
3,0
22,3
18,7
4,9
0,07
0,010
0,012
IV
0,09
0,37
3,2
22,2
18,9
4,5
0,05
0,010
0,011
V
0,09
0,52
3,7
22,0
19,4
4,3
0,03
0,012
0,013
VI-прототип
0,09
0,40
1,70
24,5
18,4
4,2
0,04
0,011
0,015
Оптимальные пределы содержания компонентов агломерированного флюса заявленного состава, а также их соотношения определяли по результатам испытаний сварочно-технологических свойств флюса, механических свойств и работы удара разрушения металла сварных швов образцов при +20°С, а также по определению химического состава наплавленного металла.
Таблица 3
Варианты агломерированного флюса
σ<sub>в</sub>, МПа
σ<sub>0,2</sub>, МПа
δ<sub>5</sub>, %
ψ, %
Работа удара KV, Дж при температуре+20°С
1
2
3
4
5
6
I
<img file="00000001.tif" he="7" wi="17" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000002.tif" he="7" wi="17" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000003.tif" he="8" wi="18" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000004.tif" he="7" wi="13" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000005.tif" he="7" wi="15" img-content="undefined" img-format="tif" />
II
<img file="00000006.tif" he="7" wi="17" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000007.tif" he="7" wi="17" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000008.tif" he="8" wi="18" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000009.tif" he="7" wi="13" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000010.tif" he="7" wi="17" img-content="undefined" img-format="tif" />
III
<img file="00000011.tif" he="7" wi="17" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000012.tif" he="7" wi="17" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000013.tif" he="8" wi="18" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000014.tif" he="7" wi="13" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000015.tif" he="7" wi="17" img-content="undefined" img-format="tif" />
IV
<img file="00000016.tif" he="9" wi="16" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000017.tif" he="7" wi="17" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000018.tif" he="8" wi="18" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000019.tif" he="7" wi="13" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000020.tif" he="7" wi="17" img-content="undefined" img-format="tif" />
V
<img file="00000021.tif" he="7" wi="17" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000022.tif" he="7" wi="17" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000023.tif" he="8" wi="18" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000024.tif" he="7" wi="13" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000025.tif" he="7" wi="13" img-content="undefined" img-format="tif" />
VI-прототип
<img file="00000026.tif" he="7" wi="17" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000027.tif" he="7" wi="17" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000028.tif" he="8" wi="14" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000029.tif" he="9" wi="11" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000030.tif" he="7" wi="17" img-content="undefined" img-format="tif" />
Продолжение таблицы 3
Форма усиления
Наличие пригара
Наличие побитости шва
Отделение шлаковой корки
Наличие горячих трещин (кристаллизационных и подсолидусных)
7
8
9
10
11
Плавное сопряжение с основным металлом
По краю шва
Отсутствует
Принудительное
Единичные
<b>Плавное сопряжение с основным металлом</b>
<b>Отсутствует</b>
<b>Отсутствует</b>
<b>Самостоятельное</b>
<b>Отсутствуют</b>
<b>Плавное сопряжение с основным металлом</b>
<b>Отсутствует</b>
<b>Отсутствует</b>
<b>Самостоятельное</b>
<b>Отсутствуют</b>
<b>Плавное сопряжение с основным металлом</b>
<b>Отсутствует</b>
<b>Отсутствует</b>
<b>Самостоятельное</b>
<b>Отсутствуют</b>
Плавное сопряжение с основным металлом
Присутствует
Присутствует местами
Неудовлетворительное
Отсутствуют
Плавное сопряжение с основным металлом
Присутствует
Присутствует местами
Принудительное
Отсутствуют
Как следует из таблицы 3, сварные швы, полученные при использовании агломерированного флюса, изготовленного согласно предлагаемому изобретению, имеют хорошие сварочно-технологические свойства - легкую (самопроизвольную) отделимость шлаковой корки, связанную с хорошим формированием шва при сварке, и работу удара металла шва не менее 100 Дж при температуре испытания +20°С.
Из таблицы 3 также ясно, что сформированная поверхность сварного шва имеет благоприятную форму, формирование шва идет с плавным переходом от металла шва к основному металлу за счет лучшей смачиваемости металла шва шлаком, пригар и трещины отсутствуют.
Исходя из результатов испытаний по определению работы удара разрушения металла шва при +20°С, из визуальных наблюдений наплавленного металла шва стыковых соединений и плавности перехода к основному металлу, а также на основании микроструктурного исследования металла шва был определен оптимальный состав предлагаемого флюса в интервале составов II-IV, содержание компонентов рудоминеральной и легирующей частей которых указано в таблице 1.
Таким образом, предлагаемый агломерированный флюс для автоматической сварки коррозионностойкой стали аустенитными сварочными проволоками позволяет обеспечить благоприятное формирование металла шва и его высокую технологическую прочность в части сопротивляемости образованию горячих трещин, что при сохранении высокой работы удара металла шва при температуре+20°С улучшает сварочно-технологические свойства флюса и расширяет его технологические возможности по сравнению с прототипом.
Источники информации:
1.А.с. №106161 от 22.04.1957 г.
2. Патент РФ №2228828, 7 В23К 35/362, 2004 г., БИ №14 - прототип.