МИНЕРАЛЬНЫЙ СПЛАВ ДЛЯ ПОКРЫТИЙ СВАРОЧНЫХ ЭЛЕКТРОДОВ
MINERAL ALLOY FOR WELDING ELECTRODE COATINGS

Изобретение относится к области сварки, в частности к плавленым сварочным материалам, а именно, к минеральным сплавам для основных покрытий сварочных электродов, используемых при электродуговой сварке конструкций из углеродистых и низколегированных сталей в нефтегазовой и других отраслях промышленности.
Из плавленых сварочных материалов наиболее известны плавленые флюсы, обладающие в результате переплава исходного минерального сырья рядом преимуществ, например однородным химическим составом и равномерным содержанием компонентов по всему объему, отсутствием поверхностной, связанной и кристаллизационной воды, позволяющих получать качественные беспористые сварные соединения.
В настоящее время плавленые сварочные материалы, а именно - минеральные сплавы, находят применение и при изготовлении покрытий сварочных электродов для электродуговой сварки конструкций из углеродистых и низколегированных сталей.
Известен минеральный сплав, входящий в состав электродного покрытия (патент RU 2257987, МПК B23K 35/365, опубл. 10.08.2005.), используемого при изготовлении сварочных электродов основного типа для дуговой сварки различных конструкций из углеродистых и низколегированных сталей.
Электродное покрытие, включающее минеральный сплав, позволяет полностью предотвратить пористость сварных соединений, обеспечивает легкое зажигание дуги и хорошее формирование наплавленного металла во всех пространственных положениях. Указанное электродное покрытие имеет следующий состав, мас.%:
Мрамор
16,0-30,0
Плавиковый шпат
0,5-10,0
Кварцевый песок
0,5-13,0
Магнезит
15,0-22,0
Ферросилиций
5,0-10,0
Рутил или диоксид титана
3,0-10,0
Ферромарганец
6,0-13,0
Минеральный сплав
8,0-20,0
Железорудные окатыши
2,0-5,0
Пластификаторы
до 2,5.
Причем минеральный сплав содержит не менее 45,0 мас.% оксида алюминия, который в результате переплава преимущественно связан в алюминаты и алюмосиликаты и максимально защищен от контактного взаимодействия с жидким стеклом, что надежно обеспечивает предотвращение пористости в наплавленном металле. К сожалению, более подробные сведения о составе указанного минерального сплава авторы патента RU 2257987 не приводят.
Недостатки изобретения по патенту RU 2257987 состоят в применении дорогостоящего и дефицитного диоксида титана, а также марганца, создающего токсичность при сварке.
В качестве наиболее близкого аналога выбран «Минеральный сплав для покрытий сварочных электродов и керамических флюсов» (патент RU 2249498, МПК B23K 35/36, опубл. 10.04.2005.). Минеральный сплав содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%:
Оксид алюминия Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
45,0-51,0
Оксид кремния SiO<sub>2</sub>
13,0-17,0
Диоксид титана TiO<sub>2</sub>
3,0-7,0
Оксид кальция СаО
10,0-16,0
Фторид кальция CaF<sub>2</sub>
16,0-22,0.
Минеральный сплав указанного состава позволяет предотвратить пористость в наплавленном металле за счет снижения химической активности поверхности зерен оксида алюминия.
Недостаток минерального сплава по патенту RU 2249498 состоит в наличии в его составе дорогостоящего и дефицитного диоксида титана и фторида кальция, образующего токсичные соединения при разложении, и также дорогостоящего.
Задачей предлагаемого изобретения является разработка составов нетоксичного минерального сплава для покрытий сварочных электродов основного типа, позволяющего полностью исключить пористость сварного шва, обеспечивающего легкое отделение шлаковой корки с поверхности наплавляемого металла и обладающего более низкой стоимостью.
Поставленную задачу решают тем, что известный минеральный сплав для покрытий сварочных электродов основного типа, содержащий оксид кремния, оксид алюминия и оксид кальция, содержит дополнительно оксид железа (III), оксид магния и оксид натрия и/или оксид калия при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Оксид кремния SiO<sub>2</sub>
38-39
Оксид алюминия Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
22-24
Оксид железа Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
12-14
Оксид кальция СаО
10-12
Оксид магния MgO
9-10
Оксид калия и/или натрия (K<sub>2</sub>O и/или Na<sub>2</sub>O)
3-5.
Расчет критерия основности (В) предлагаемого минерального сплава для покрытий сварных электродов позволяет отнести его к типу основных: В=1,43-1,57.
Снижения стоимости предлагаемого минерального сплава для покрытий сварочных электродов по сравнению с прототипом достигают исключением дорогостоящих компонентов - диоксида титана и фторида кальция. Отказ от использования дефицитного диоксида титана также решает задачу доступности сырья.
Отсутствие в составе фторида кальция также снимает вопрос о токсичности предлагаемого минерального сплава для покрытий сварочных электродов.
Вследствие исключения фторида кальция и оптимизации содержания оксида кальция отпадает необходимость в увеличении содержания оксида алюминия с целью предотвращения пористости в наплавляемом металле. Оксид кальция, вводимый в количестве 10-12 мас.%, обеспечивает хорошую шлакообразующую функцию минерального сплава. Несоответствие содержания оксида кальция в минеральном сплаве для покрытий сварочных электродов указанному интервалу 10-12 мас.% приводит к плохой отделяемости шлаковой корки.
Введение оксида кремния в количестве менее 38 мас.% не обеспечивает устойчивость электрошлакового процесса и приводит к пористости шлаковой корки. Увеличение его содержания более 39 мас.% уменьшает роль в шлаке других компонентов и не позволяет выполнить техническое решение.
Оксид алюминия в составе минерального сплава для покрытий сварочных электродов обеспечивает благоприятное формирование сварного шва. Однако, его низкое содержание - менее 22 мас.%, не позволяет эффективно использовать его и возможно появление пористости. Содержание оксида алюминия более 24 мас.% хотя и допустимо, но делает предлагаемый минеральный сплав для сварочных электродов более тугоплавким, что отрицательно влияет на теплофизические свойства шлака.
Оксид магния вводят в состав минерального сплава для сварочных электродов из-за высокого содержания оксида кремния, обладающего гораздо более низкой температурой плавления. Содержание оксида магния в пределах 9-10 мас.% в совокупности с предложенной рецептурой минерального сплава для сварочных электродов обеспечивает оптимальную температуру плавления шлака в интервале 1350-1400°C в процессе сварки, что соответствует температурам плавления сварочных плавленых флюсов. Введение оксида магния в количестве менее 9 мас.% не позволяет достигать нижней температуры указанного интервала, а более 10 мас.% оксида магния приводит к превышению верхней границы данного температурного интервала.
2
2
Введение в расплав оксида натрия и/или калия (NaO и/или KO) в количестве 3-5% заметно повышает электропроводность шлака и не оказывает влияния на пористость сварного шва. Эффект от введения оксида натрия и/или калия в состав минерального сплава для сварочных электродов наблюдают при низких температурах в начале процесса наплавки, однако при высокой температуре (>1350°C) происходит их испарение, и соответственно, исчезает их воздействие на электропроводность шлака.
св.
В лабораторных условиях проведены испытания различных составов разрабатываемого минерального сплава для покрытий сварочных электродов путем наплавки валиков на углеродистую сталь Ст3 с помощью автомата КА-1UP с использованием сварочной проволоки Св-08А ГОСТ 2246-70 диаметром 4 мм под слоем заявляемого минерального сплава, подготовленного к использованию по назначению. Режим наплавки: сварочный ток I=550 А, напряжение дуги U=30 В, скорость сварки У=55 см/мин.
Оценка результатов испытаний произведена по внешнему виду наплавленного валика и шлаковой корки с определением дефектов - наружной пористости металла и шлаковой корки, а также по легкости отделения шлаковой корки с поверхности наплавленного валика. Испытанные составы минерального сплава для покрытий сварочных электродов и оценка результатов их испытаний приведены в таблице.
Составы минерального сплава для покрытий сварочных электродов и оценка результатов испытаний
Условная маркировка
Содержание, мас.%
Оценка результатов испытаний
SiO<sub>2</sub>
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
CaO
MgO
K<sub>2</sub>Ou/или Na<sub>2</sub>O
1
49,68
24,68
9,59
2,91
2,66
10,48
неудовл.
2
39,03
22,88
14,26
11,08
9,43
3,32
отл.
3
31,33
23,27
18,91
9,90
9,25
7,34
удовл.
4
37,87
24,35
14,10
10,06
9,66
3,96
отл.
5
38,43
22,09
12,14
11,89
10,44
5,01
отл.
6
40,39
20,45
17,20
8,48
8,39
5,09
удовл.
7
44,16
17,11
16,10
8,21
12,20
2,22
неудовл.
Из таблицы видно, что лабораторные образцы 2, 4 и 5 показывают отличные сварочно-технологические свойства: мелкочешуйчатое благоприятное формирование наплавляемого валика, плотную и ровную шлаковую корку, которая при охлаждении самостоятельно отделяется от поверхности наплавленного валика.
Сварочно-технологические свойства лабораторных образцов 3 и 6 хуже - плохая отделяемость шлаковой корки, которая при удалении частично ломается, крошится и остается в местах сопряжения валиков с основным металлом.
Лабораторные образцы 1 и 7 имеют неудовлетворительные результаты испытаний сварочно-технологических свойств, выражающиеся в неравномерном формировании наплавляемого валика и шлаковой корки с пористой поверхностью со стороны шва.
Лабораторные образцы 2, 4 и 5 дополнительно исследованы с помощью рентгеновского метода контроля: пористость в наплавленных валиках указанных образцов не обнаружена, несмотря на то, что для лабораторных образцов 2 и 5 определена пористость шлаковых корок.
Как видно из приведенных выше результатов испытаний образцов, предлагаемый минеральный сплав для покрытий сварочных электродов позволяет полностью исключить пористость в наплавляемых валиках даже в тех случаях, когда существуют признаки ее возможного появления - поры в шлаковой корке.
Взяв за базу рецептурный состав, описанный в патенте RU 2257987, опытным путем были получены электроды с упрощенной номенклатурой, состоящей из следующих компонентов:
Известняк
33,6
Минеральный сплав
16,4
Рутил
14,1
Плавиковый шпат
11,6
Полевой шпат
8,7
Ферромарганец
9,5
Каолин
6,1
Где минеральный сплав использовался условного обозначения №1, 2 и №3 как образцы с неудовлетворительной, отличной и удовлетворительной оценкой при наплавке валика под слоем минерального сплава. После проведения ручной дуговой сварки покрытыми электродами на токе 120А результаты по сварочно-технологическим свойствам были идентичны результатам после наплавки валика под слоем минерального сплава.
Таким образом, предлагаемая совокупность компонентов и интервалы их содержания обеспечивают получение нетоксичного и менее дорогостоящего минерального сплава для покрытий сварочных электродов основного типа, позволяющего полностью исключить пористость сварного шва при легко отделяемой шлаковой корке.