Способ сварки плавящимся электродом углеродистых и низколегированных конструкционных сталей
METHOD FOR CONSUMABLE ELECTRODE WELDING OF CARBON AND LOW ALLOY STRUCTURAL STEELS

Изобретение относится к технологии сварки продольных и кольцевых швов изделий из углеродистых и низколегированных конструкционных сталей толщиной от 4,0 до 30,0 мм.
2
2
2
Известен способ сварки плавящимся электродом со сквозным проплавлением, при котором металл сварочной ванны удерживают за счет сил поверхностного натяжения из-за нанесенной флюсовой пасты на поверхность стыка со стороны корня шва, состоящей из нескольких фторидов CaF–BaF–SrF. Этот способ служит для повышения качества сварных соединений материалов из углеродистых и низколегированных сталей толщиной от 4,0 мм до 6,0 мм [S. G. Parshin (2012): Using ultrafine particles of activating fluxes for increasing the productivity of MIG/MAG welding of steels, Welding International, 26:10, P. 800-804].
Однако известный способ невозможно использовать для сварки сталей  более 6 мм, вследствие возникновения на поверхности расплавленной сварочной ванны шлакового слоя переменного состава из-за образования комплексных соединений, не препятствующих проникновению ионов кислорода к расплаву сварочной ванны,  которые уменьшают величину поверхностного натяжения и момент силы, изгибающий поверхность расплавленного металла в сторону увеличения геометрических параметров обратного валика.
2
Известен способ сварки с помощью поверхностно-инактивного компонента в виде ZrO наносимого на обратную сторону стыка размерностью до 60 мкм и толщиной покрытия 200-300 мкм, который позволяет увеличить объем расплавленного металла сварочной ванны, удерживаемый в разделке [Способ управления формированием корневого шва / П.П. Красиков, О.А. Полесский, А.В. Савинов, И.Е. Лапин // Известия ВолгГТУ. Сер. Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении. Вып. 10. - Волгоград, 2014. - № 23 (150). - C. 128-130].
Однако при данном способе нанесения покрытия нет возможности проконтролировать толщину и равномерность нанесенного оксидного слоя, что в свою очередь ухудшает формирование обратного валика, а именно приводит к прожогам и неравномерности получаемых геометрических параметров по длине шва, ухудшая механические свойства получаемого соединения.
2
3
Наиболее близким является способ сварки корневого шва с разделкой кромок в смеси защитных газов 82 об.% аргона и 18 об.% углекислого газа, с применением флюсовой пасты на основе AlOдля стабилизации геометрических параметров получаемого сварного соединения [Stabilization of  Root Parameters for Shielded Arc Welding / P.P. Krasikov, A.V. Savinov, O.A. Polesskiy, A.A. Chudin, L.S. Krasikova, I.V. Kozlov, D.S. Borisov and V.V. Filippov // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. Vol. 1118 : International Conference on Mechanical Engineering and Modern Technologies (MEMT 2020) (Tomsk, Russia, 26-30 October, 2020) / Tomsk Polytechnic University. – [IOP Publishing], 2021. – 5 p. – DOI: 10.1088/1757-899X/1118/1/012012].
Недостатком данного способа является ограниченность применения по толщине изделия до 10 мм и параметрами режима сварки.
2
Задачей предлагаемого технического решения является разработка способа сварки плавящимся электродом в смеси защитных газов 82%Ar+18%CO углеродистых и низколегированных конструкционных сталей, обеспечивающего минимальный размер обратного валика в широком диапазоне параметров режима сварки и толщин изделия без ухудшения механических свойств сварного соединения.
Технический результат заключается в увеличение области допустимых отклонений заданных параметров сварочного процесса без ухудшения механических свойств сварного соединения для изделий толщиной 4-30 мм.
2
3
2
Технический результат достигается в способе сварки плавящимся электродом углеродистых и низколегированных конструкционных сталей, при котором сварка ведется в смеси защитных газов 82 об.% аргона и 18 об.% углекислого газа с помощью флюс-пасты на основе порошка оксида, при этом флюс-паста наносится в виде покрытия из порошка YO или CaO с размером зерен до 39 мкм, разведенного в спирте в массовом соотношении 1:3 и нанесенного на свариваемые поверхности с образованием оксидного покрытия плотностью нанесения оксида в 0,045-0,055 г/см и относительной массовой концентрации оксида в зоне расплава сварочной ванны равной 1,8-2,2%.
2
3
2
2
2
Сущность способа заключается в том, что порошок YO или CaO просеивается с помощью сита №004 по ГОСТ6613-86 размерная сетка сита, обеспечивает разную размерность зерен оксида менее 39 мкм. После чего полученный порошок разводится спиртом в массовом соотношении 1 часть оксида к 3 частям спирта. Полученная суспензия при помощи пульверизатора с диаметром сопла 0,5 мм с расстояния 15 см наносится на свариваемые поверхности с обеспечением за одно нажатие пятна нанесенного покрытия площадью 12,6 см и поверхностной плотностью 0,0225-0,0275 г/см. Далее сопло пульверизатора перемещается на половину диаметра полученного пятна и наносится второй слой покрытия. При этом получают требуемую плотность нанесения оксида в 0,045-0,055 г/см и относительную концентрацию оксида в зоне расплава сварочной ванны равную 1,8-2,2%. Далее осуществляется сварка в смеси защитных газов 82 об.% аргона и 18 об.% углекислого газа плавящимся электродом сталей марки Ст3сп толщиной 4 мм с разделкой кромок С2 по ГОСТ 14771-76 и стали 09Г2С толщиной 30 мм с разделкой кромок С17 по ГОСТ 14771-76.
2
2-
Применение оксидного покрытия плотностью нанесения оксида 0,045-0,055 г/см и массовой концентрацией в зоне сварочной ванны в диапазоне 1,8-2,2% приводит к получению обратного валика с параметрами, не выходящими за пределы допустимых по ГОСТ 14771-76. При этом повышение поверхностного натяжения на границе между контактирующим оксидом и жидкой сварочной ванны позволяет расширить диапазон параметров режима сварки. При контакте двух фаз с различной работой выхода электрона на границе между двумя точками вблизи границы контакта возникает контактная разница потенциалов, которая препятствует проникновению к границе расплавленной сварочной ванны ионов кислорода О и окислению сварочной ванны с образованием FeO уменьшающего поверхностное натяжение расплавленной сварочной ванны.
Учет размера частиц и выполнение заданных параметров поверхностной плотности нанесенного покрытия создает высокую адгезию между частицами оксида и поверхностью металла, вследствие чего не происходит его осыпание во время сварки и, соответственно, уменьшения объема сварочной ванны, что в свою очередь обеспечивает стабильность получения геометрических параметров обратного валика в широкой области допустимых отклонений заданных параметров сварочного процесса.
Расширение диапазона параметров режима сварки в смеси защитных газов 82 об.% аргона и 18 об.% углекислого газапозволяет увеличить диапазон допустимых отклонений заданных параметров сварочного процесса без ухудшения механических свойств сварного соединения, что значительно облегчает сварочный процесс.
Уменьшение концентрации оксида в зоне сварочной ванны ниже заявленного интервала приводит к увеличенному провисанию обратного валика, уменьшению диапазона режимов сварки, в которых параметры обратного валика находятся в допуске. При высоте обратного валика более 2 мм, происходит уменьшение прочности сварного соединения из-за насыщения металла сварочной ванны газами и появления пор в корне шва. Увеличение концентрации оксида в зоне сварочной ванны выше заявленного интервала не приводит к существенному изменению нормируемого показателя высоты обратного валика.
2
3
Экспериментальные данные, подтверждающие расширение диапазона параметров режима сварки в смеси защитных газов 82 об.% аргона и 18 об.% углекислого газа для пластин из стали марки Ст3сп (разделка по ГОСТ 14771-76-С2) толщиной 4 мм с использованием оксидного покрытия из YO приведены в таблице 1.
Таблица 1
Относительная концентрация оксида в зоне сварочной ванны, %
Параметры режима сварки
Временное сопротивление разрыва, МПа
Высота обратного валика, мм
скорость подачи электрод-ной проволоки V<sub>п.п.</sub>, м/ч
напряжение на дуге, U<sub>д.</sub>, В
скорость сварки V<sub>св.</sub>, м/ч
1,6
100
26
34
--
несплавление
200
27
460-465
1,5
300
29
2,0
400
33
440-455
3,0
250
26
24
--
прожог
34
440-455
1,7
44
1,0
48
--
несплавление
1,8
100
26
34
460-465
0,1
200
27
0,9
300
29
1,7
400
33
2,0
250
26
24
460-465
1,8
34
1,4
44
0,8
48
0,4
2,0
100
26
34
460-465
0,3
200
27
1,0
300
29
1,8
400
33
1,9
250
26
24
460-465
2,0
34
1,5
44
0,9
48
0,2
2,2
100
26
34
460-465
0,2
200
27
1,1
300
29
1,9
400
33
2,0
250
26
24
2,0
34
1,6
44
0,5
48
0,1
2,4
100
26
34
--
несплавление
200
27
460-465
1,4
300
29
2,0
400
33
--
прожог
250
26
24
прожог
34
460-465
1,8
44
0,15
48
--
несплавление
Механические свойства основного материала (Ст3сп) по ГОСТ 535-2005
460-465
-
-
Экспериментальные данные, подтверждающие расширение диапазона параметров режима сварки в смеси защитных газов 82 об.% аргона и 18 об.% углекислого газа для пластин из стали марки 09Г2С (разделка по ГОСТ 14771-76-С17) толщиной 30 мм с использованием оксидного покрытия из CaO приведены в таблице 2.
2
3
В таблице 2 для пластин из стали марки 09Г2С (разделка по ГОСТ 14771-76-С17) толщиной 30 мм приведены параметры обратного валика, получаемые в результате сварки, выполненной в соответствии с параметрами по прототипу (толщина пластины 10 мм, смесь защитных газов 82 об.% аргона и 18 об.%, флюс-паста на основе AlO).
+2,0
Нормируемый показатель высоты обратного валика по ГОСТ 14771-76-С2 составляет 1,0±1,0 мм, нормируемый показатель высоты обратного валика по ГОСТ 14771-76-С17 составляет 0 мм.
Таблица 2
Относительная концентрация оксида в зоне сварочной ванны, %
Параметры режима сварки
Временное сопротивление разрыва, МПа
Высота обратного валика, мм
скорость подачи электродной проволоки V<sub>п.п.</sub>, м/ч
напряжение на дуге, U<sub>д.</sub>, В
скорость сварки V<sub>св.</sub>, м/ч
1,6
350
26
34
--
несплавление
400
27
482-485
1,2
500
29
2,5
600
33
470-475
3,2
700
34
--
прожог
550
29
20
--
прожог
24
482-485
2,0
34
1,0
44
0,2
48
--
несплавление
1,8
350
26
34
482-485
0,5
400
27
1,1
500
29
1,5
600
33
1,7
700
34
2,0
550
29
20
482-485
2,0
24
1,7
34
1,5
44
1,3
48
0,2
2,0
350
26
34
482-485
0,2
400
27
1,2
500
29
1,4
600
33
1,5
700
34
1,8
550
29
20
482-485
1,8
24
1,6
34
1,4
44
1,0
48
0,4
2,2
350
26
34
482-485
0,3
400
27
1,2
500
29
1,5
600
33
1,7
700
34
1,8
550
29
20
1,9
24
1,7
34
1,6
44
1,1
48
0,3
2,4
350
26
34
--
несплавление
400
27
482-485
1,1
500
29
1,4
600
33
1,5
700
34
1,9
550
29
20
--
прожог
24
482-485
1,7
34
1,6
44
1,0
48
0,3
по прототипу
400
26
34
--
несплавление
420
27
0,5
480
29
1,0
550
30
2,0
600
32
прожог
Механические свойства основного материала (09Г2С) по ГОСТ 19281-2014
480-485
--
2
3
2
Таким образом, способ сварки плавящимся электродом углеродистых и низколегированных конструкционных сталей в смеси защитных газов 82 об.% аргона и 18 об.% углекислого газа с помощью флюс-пасты в виде покрытия из порошка YO или CaO с размером зерен до 39 мкм, разведенного в спирте в массовом соотношении 1:3 и нанесенного на свариваемые поверхности с образованием оксидного покрытия плотностью нанесения оксида в 0,045-0,055 г/см и относительной массовой концентрации оксида в зоне расплава сварочной ванны равной 1,8-2,2%, обеспечивает увеличение области допустимых отклонений заданных параметров сварочного процесса без ухудшения механических свойств сварного соединения для изделий толщиной 4-30 мм.