ПОКРЫТЫЙ ЭЛЕКТРОД ДЛЯ ДУГОВОЙ СВАРКИ
COATED ELECTRODE FOR ARC WELDING

Изобретение относится к сварочным материалам, в частности к плавящимся покрытым электродам для дуговой сварки углеродистых и низколегированных сталей.
Известен состав электродного покрытия для сварки низкоуглеродистых и низколегированных сталей, для повышения производительности за счет повышения скорости сварки и осуществления сварки наклонным электродом, в состав которого входят: 15-22% рутила, 1-4% слюды, 0,5-3% глинозема, 6-8% ферромарганца, 1,5-2% целлюлозы, 1-3% циркониевого концентрата, 0,5-3% мрамора, 3-4% каолина, остальное - железный порошок (Авт. свид. СССР №1284843, МПК В23К 35/365, 1987 г.). Данный состав выбран в качестве прототипа для заявляемого изобретения.
2
Недостатком известного состава электродного покрытия является получение металла шва со значениями временного сопротивления разрыву соответствующего электродам типа Э46, что недопустимо для выполнения сварных соединений в стальных конструкциях железнодорожного подвижного состава согласно ГОСТ 33976-2016, который предусматривает применение электродов типа Э50А, обеспечивающих предел текучести металла сварных швов не меньше 390 МПа, угол статического изгиба сварного соединения с поперечным стыком не меньше 120°, ударную вязкость на образцах KCU металла сварных соединений из низколегированного проката не меньше 29 Дж/см при температуре испытаний минус 60°C, а так же твердость металла шва - не более 350 HV.
Так же наличие сочетания глинозема и слюды в составе указанного покрытия ведет к появлению пористости в металле шва, обусловленной наличием связанной воды в слюде и образованием гидратированных соединений алюминия при высокотемпературном распаде слюды и взаимодействии глинозема с жидким стеклом.
Техническим результатом изобретения является создание плавящегося покрытого электрода для дуговой сварки углеродистых и низколегированных сталей обеспечивающего гарантированное получение следующих значений механических свойств металла шва (сварных соединений):
- не меньше 490 МПа для временного сопротивления разрыву;
- не меньше 390 МПа для предела текучести;
- не меньше 20% для относительного удлинения;
2
- не меньше 29 Дж/см для ударной вязкости KCU при температуре минус 60°С;
- не меньше 120° для угла загиба металла шва.
При этом предложенные электроды отличаются устойчивым и мягким горением дуги, малым разбрызгиванием электродного металла, а так же обеспечивают хорошую отделимость шлаковой корки. Это, в свою очередь, способствует повышению производительности при выполнении сварочных работ и в т.ч. при реализации технологии гравитационной дуговой сварки покрытым плавящимся электродом (сварки наклонным электродом). Сварной шов не имеет дефектов пор, трещин и шлаковых включений.
Технический результат достигается тем, что электрод, состоящий из стержня-проволоки марки Св-08АА или Св-08А и нанесенного на него покрытия, содержит в указанном покрытии концентрат рутиловый, ферромарганец, мрамор, каолин, целлюлозу, полевой шпат и железный порошок в следующем соотношении, мас. %:
мрамор
4,0-8,0
ферромарганец
8,0-11,0
концентрат рутиловый
15,0-21,0
каолин
2,5-6,0
целлюлоза
1,5-2,5
полевой шпат
3,0-5,0
порошок железный
остальное,
и при этом обладает:
- коэффициентом массы покрытия (отношением массы покрытия к массе покрытой части стержня электрода) в пределах 95-160% и средним соотношением диаметра покрытия электрода к диаметру стержня в пределах 1,8-2,3 при использовании для гравитационной дуговой сварки (сварки наклонным электродом);
- коэффициентом массы покрытия в пределах 90-100% и средним соотношением диаметра покрытия электрода к диаметру стержня в пределах 1,7-1,9 при использовании для ручной дуговой сварки.
Повышение механических свойств достигнуто:
1) Уменьшением содержания в металле шва углерода, серы и фосфора, что получено путем:
- применения в составе электродного покрытия марок железного порошка, имеющих минимальное содержание углерода, а так же за счет минимизации содержания железного порошка в покрытии при сохранении требуемой производительности;
- применения для электродных стержней проволоки марки Св-08АА или Св-08А имеющих меньшее содержание серы и фосфора;
- обеспечения оптимального содержания в составе электродного покрытия ферромарганца, что, с одной стороны, приводит к связываю серы в сульфид марганца и как следствие - к повышению прочности металла шва, с другой стороны - обеспечивает необходимую пластичность металла шва (Авт. свид. СССР №1214375, МПК В23К 35/365, 1984 г.);
- исключения слюды, что приводит к улучшению рафинирующих свойств шлака (основности) и уменьшению перехода кремния в металл шва (Авт. свид. СССР №1214375, МПК В23К 35/365, 1984 г.).
2) Исключением глинозема и слюды, что направлено на уменьшение пористости в металле шва, обусловленной наличием связанной воды в слюде и образованием гидратированных соединений алюминия при высокотемпературном распаде слюды и взаимодействии глинозема с жидким стеклом (Авт. свид. РФ №2257987, МПК В23К 35/365, 2003 г.).
3) Введением полевого шпата, способствующего образованию более жидкотекучих («длинных») шлаков большой массы (Авт. свид. РФ №2364483, МПК В23К 35/365, 2006г.). Поскольку возрастание вязкости «длинных» шлаков при понижении температуры происходит медленно и сварочная ванна длительное время находится в жидком состоянии, это позволяет более полно выйти газам из сварочной ванны и получить плотный и при этом более пластичный металл сварного шва.
Повышение сварочно-технологических характеристик достигнуто:
1) Увеличением содержания мрамора с целью повышения стабильности горения дуги и получения хорошо сформированных мелкочешуйчатых швов с плавным переходом к основному металлу (Авт. свид. СССР №1284843, МПК В23К 35/365, 1987 г.). Так же введение мрамора в сочетании с полевым шпатом облегчает отделимость шлаковой корки, обеспечивая вогнутые мелкочешуйчатые швы без подрезов с плавным переходом к основному металлу (Авт. свид. СССР №404592, МПК В23К 35/365, 1973 г.).
2) Введением полевого шпата, что приводит к образованию достаточно плотной шлаковой корки и способствует стабилизации дугового промежутка.
Был проведен комплекс лабораторных и опытно-промышленных работ по изготовлению опытных партий электродов с различными вариантами составов и толщин (диаметров) покрытий (приведенных в таблице 1), их испытанию и практическому опробованию. Результаты испытаний указанных партий приведены в таблице 2.
Таблица 1
№ п.п.
Название компонента
Состав покрытия, % (пп.1-11)
Прототип
Вариант №1
Вариант №2
Вариант №3
Вариант №4
Вариант №5
Окончательныйвариант
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
1
Мрамор
0,5-3
4,5
4,5
4,5
4,5
4,5
4,6
4,6
2
Ферромарганец
6-8
11,5
11,5
10,5
10,5
10,5
10
10,4
3
Концентрат рутиловый
15-22
20
20
16
20
20
16,4
20
4
Порошок железный
ост.
55
55
60
56
56
60
56
5
Циркониевый концентрат
1-3
-
-
-
-
-
-
-
6
Глинозем
0,5-3
-
-
-
-
-
-
-
7
Каолин
3-4
3
3
3
3
3
3
3
8
Слюда
1-4
-
-
-
-
-
-
-
9
Целлюлоза электродная
1,5-2
2
2
2
2
2
2
2
10
Полевой шпат
-
4
4
4
4
4
4
4
11
Диаметр стержня
5
5
5
5
6
5
5
6
12
Диаметр калибрующей втулки (диаметр покрытия)
-
10,8-11,2
8,8-9,2
10,8-11,2
10,8-11,2
8,8-9,2
10,8-11,2
10,8-11,2
Примечание: В таблице для окончательного варианта (столбцы 9 и 10) указаны номинальные значения процентного содержания компонентов в покрытии.
Таблица 2
Состав покрытия
∅ покрытия, мм
Предел текучестиσт, мПа
Временное сопротивление σв, мПа (кгс/мм<sup>2</sup>)
ОтносительноеУдлинение δ, %
Ударная вязкость, KCU <sup>-60</sup>, Дж/см<sup>2</sup>
Угол изгибав °
Твердость зон сварного соединения, HV
Хим. состав наплавленного металла, %
Основнойметалл
ЗТВ
Наплавленный металл
ЗТВ
Основной металл
С
Mn
Si
S
P
Показатели по НД
Не менее 390
Не менее 490 (50)
Не менее20
Не менее 29
Не менее 120
Не более 350
-
-
-
-
-
Результаты проверки опытных вариантов
Вариант №1 ∅5 мм
11,0
524,0
658,0
14,0
55,0
75
202,0
192,0
239,0
209,0
202,0
0,232
1,57
0,411
0,0057
0,036
516,0
637,0
10,0
45,0
75
197,0
193,0
252,0
215,0
199,0
518,0
648,0
13,0
61,0
-
198,0
212,0
257,0
209,0
202,0
Вариант №2 ∅5мм
9,4
532,0
672,0
23,0
67,0
110
200,0
192,0
227,0
190,0
193,0
0,153
1,31
0,297
0,006
0,029
521,0
648,0
16,0
75,0
55
199,0
193,0
244,0
191,0
191,0
510,0
658,0
21,0
69,0
-
198,0
191,0
233,0
192,0
194,0
Вариант №3 ∅5 мм
11,0
551,0
613,0
26,5
45,0
180,0
205,0
195,0
254,0
211,0
202,0
0,118
1,31
0,324
0,0065
0,030
499,0
582,0
18,5
62,0
180,0
201,0
192,0
252,0
215,0
205,0
457,0
578,0
16,0
54,0
-
200,0
199,0
258,0
219,0
199,0
Вариант №4 ∅6 мм
11,0
450,0
585,0
29,0
22,0
180,0
186,0
211,0
216,0
197,0
189,0
0,100
1,000
0,278
0,0056
0,0300
443,0
564,0
17,0
59,0
65
188,0
209,0
221,0
199,0
184,0
429,0
585,0
19,0
43,0
75
184,0
206,0
214,0
197,0
185,0
Вариант №5 ∅5 мм
9,4
481,0
582,0
28,0
61,0
180,0
200,0
190,0
249,0
219,0
202,0
0,100
1,000
0,264
0,0073
0,0270
447,0
564,0
19,0
64,0
180,0
202,0
193,0
250,0
217,0
205,0
467,0
561,0
28,0
61,0
-
197,0
198,0
254,0
210,0
205,0
Результаты проверки окончательного варианта
Окончательный вариант (для ∅5 мм)
11,0
480,0
587,0
21,0
67,0
180,0
191,0
193,0
237,0
214,0
191,0
-
497,0
604,0
24,0
69,0
180,0
193,0
195,0
228,0
206,0
193,0
502,0
596,0
20,0
70,0
180,0
190,0
204,0
230,0
205,0
192,0
Окончательный вариант (для ∅6 мм)
11,0
488,0
589,0
20,0
50,0
180,0
189,0
204,0
230,0
199,0
182,0
-
485,0
578,0
26,0
81,0
180,0
190,0
200,0
232,0
200,0
186,0
502,0
564,0
31,0
76,0
180,0
192,0
202,0
238,0
201,0
188,0
Результаты проверки производственной (серийной) партии электродов
Производств. партия (для ∅5 мм)
11,0
450,0
554,0
30,0
54,0
180,0
198,0
243,0
246,0
213,0
180,0
0,094
0,910
0,398
0,0059
0,0290
450,0
648,0
26,0
50,0
135.
202,0
233,0
260,0
208,0
182,0
422,0
568,0
28,0
47,0
180,0
201,0
230,0
241,0
212,0
190,0
Опытные партии электродов испытывались путем изготовления соответствующих образцов:
1) Проверка сварочно-технологических свойств электродов производилась путем наплавки валика на пластины из сталей марок Ст3сп, 09Г2, 09Г2С с применением ручной дуговой сварки и гравитационной дуговой сварки (сварки наклонным электродом) с использованием соответствующего приспособления.
Оценка сварочно-технологических свойств осуществлялась согласно ГОСТ 9466-75. Качество швов проверялось внешним осмотром.
2) Для проверки химического состава наплавленного металла выполнялись восьмислойные наплавки на пластины из стали марок Ст3сп, 09Г2, 09Г2С.
Размеры пластины, площадь наплавки и метод отбора стружки соответствовали требованиям ГОСТ 9466-75.
3) Для проверки механических свойств металла шва выполнялась сварка стыковых соединений двух пластин размером 330×120×20 мм (вариант А ГОСТ 9466-75) из стали марок 09Г2, 09Г2С.
Из стыковых сварных соединений осуществлялась вырезка и изготовление образцов следующих типов согласно требованиям ГОСТ 6996-66:
- II - для определения временного сопротивления разрыву и относительного удлинения;
- VI - для определения ударной вязкости KCU;
- XXVII - для определения угла загиба.
Методы определения механических свойств должны соответствовать ГОСТ 6996-66.
Сварка осуществлялась на постоянном токе прямой полярности в нижнем положении на следующих режимах:
- I=230±40А (для диаметра электродов 5 мм при ручной дуговой сварке);
- I=260±40А (для диаметра электродов 5 мм при гравитационной дуговой сварке (сварке наклонным электродом));
- I=280±40А (для диаметра электродов 6 мм при гравитационной дуговой сварке (сварке наклонным электродом)).
В рамках разработки нового электрода были изготовлены опытные партии электродов ∅5,0 мм по двум вариантам:
- Вариант №1 - диаметр покрытия электрода 11,0 мм (см. Таблицу 1);
- Вариант №2 - диаметр покрытия электрода 9,2 мм (см. Таблицу 1).
При сравнении результатов механических испытаний и химического состава наплавленного металла электродов, изготовленных по первому и второму вариантам, выявлено существенное различие результатов относительного удлинения металла шва, при близких значениях прочности металла при этом показатели угла загиба, регламентируемые нормативной документацией, не выдержаны (см. Таблицу 2). Процент содержания углерода в наплавленном металле электродов изготовленных по первому варианту (диаметр покрытия 11,0мм) в 1,5 раза превышает аналогичный показатель электродов изготовленных по второму варианту (диаметр покрытия 9,2 мм). Данные приведены в Таблице 2.
Следует отметить, что одной из важных задач при разработке и изготовлении электродов по двум вариантам было сохранение соотношения компонентов покрытия электродов.
Уменьшение диаметра покрытия электрода до 9,2 мм не привело к изменению процентного соотношения компонентов в покрытии, но при этом получено количественное уменьшение всех компонентов входящих в покрытие диаметром 9,2 мм. Получен существенный рост пластичности металла шва, относительное удлинение металла шва, выполненное электродом с диаметром покрытия 9,2 мм выше в 1,6 раза относительного удлинения металла шва выполненного электродом с диаметром покрытия 11,0 мм (см. данные в Таблице 1).
Количественное уменьшение всех компонентов в покрытии диаметром 9,2 мм в том числе и ферромарганца, основного поставщика углерода уменьшающего пластичность, оказало положительное влияние не увеличение относительного удлинения в 1,6 раза.
Учитывая вышеизложенное для решения задачи увеличения пластичности во второй партии электродов вариант 3 было уменьшено содержание ферромарганца на 1% с 11,5% до 10,5 %. С целью повышения производительности процесса сварки количество железного порошка доведено до 60%. Одновременно за счет минимального количества углерода и вредных примесей серы и фосфора в железном порошке должны получить прирост пластичности металла шва при диаметре покрытия 11,0 мм и диаметре стержня 5,0 мм. Также было снижено содержание рутилового концентрата, основного шлакообразующего компонента, с 20 до 16% (см. Таблицу 1, вариант №3). При диаметре покрытия 11,0 мм этого количества рутилового концентрата достаточно, чтобы обеспечить шлаковую защиту шва.
В результате удалось повысить относительное удлинение металла шва с 12,3% до 20%. Содержание углерода сократилось в два раза с 0,232% до 0,118%, при этом получено плавное снижение показателей механической прочности металла шва, которые приблизились к показателям требуемым нормативной документацией (см. Таблицу 2).
Для решения задачи увеличения производительности при сварке деталей с увеличенным зазором диаметр электродного стержня был увеличен до 6,0 мм, при сохранении диаметра покрытия равным 11,0 мм. В связи с уменьшением объема покрытия, для обеспечения качественной защиты, произведено увеличение содержания рутилового концентрата до 20%. Содержание железного порошка снижено до 56 % (см. Таблицу 1, вариант №4). Одновременно с изготовлением электродов по варианту №4 рецептуры (со стержнем диаметром 6,0 мм), был изготовлены электроды по варианту №5 рецептуры (см. Таблицу 1) диаметром 5,0 мм с диаметром покрытия 9,2 мм для проверки разработанной варианта №4 рецептуры.
Полученные данные механических испытаний и химического состава наплавленного металла электродами, изготовленными по четвертому и пятому вариантам, практически соответствуют показателям нормативной документации (см. Таблицу 2).
Для набора статистики и проверки правильности разработанной рецептуры, проверки сварочно-технологических свойств электродов проведена сварка контрольных соединений.
Результаты механических испытаний (см. Таблицу 2) показали, что разработанные электроды обеспечивают получение металла шва с заданными механическими свойствами по ГОСТ 9467-75 и соответствуют типу Э50А.
В результате проведенных экспериментально-исследовательских работ разработаны электроды марки АНО-19МН-Н (АНО-19М-Н) типа Э50А, предназначенные для сварки конструкций углеродистых и низколегированных сталей и в том числе для выполнения сварных соединений в стальных конструкциях железнодорожного подвижного состава согласно ГОСТ 33976-2016. Разработанные электроды обеспечивают оптимальный баланс механических свойств сварных соединений между требуемыми значениями прочности и пластичности. При этом предложенные электроды по типу покрытия относятся к рутиловым и обладают высокой легкостью зажигания и повышенной стабильностью горения дуги, обеспечивают хорошую отделимость шлаковой корки и получение хорошо сформированных мелкочешуйчатых швов с плавным переходом к основному металлу, а так же их высокие механические свойства (Таблица 2), соответствующие требованиям ГОСТ 33976-2016. Сварной шов не имеет дефектов пор, трещин и шлаковых включений.
Разработанные электроды показали положительные результаты, как при их использовании для ручной дуговой сварки, так и гравитационной дуговой сварки (сварки наклонным электродом).