плавленый флюс для механизированной сварки низколегированной стали

Формула изобретения

1. Плавленый флюс для механизированной сварки низколегированной стали, содержащий SiO₂, СаО, Al ₂О₃, CaF₂, MnO, TiO₂, отличающийся тем, что он дополнительно содержит К₂О при следующем соотношении компонентов, мас.%:

SiO2	20-27
СаО	12-18
Al2O 3	13-18
CaF2	20-33
MnO	7-13
TiO2	3-10
К2О	1-5
и примеси	не более 1,52,

при этом 0,15 TiO₂/SiO₂ 0,40.

2. Плавленый флюс по п.1, отличающийся тем, что он содержит примеси в следующем соотношении, мас %:

Fe2O3	не более 1,5
S	не более 0,010
Р	не более 0,010

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области производства сварочного флюса, используемого для механизированной сварки современных корпусов атомных реакторов и других сосудов высокого давления в энергетическом машиностроении и нефтехимии.

В настоящее время для механизированной дуговой сварки низколегированных сталей в атомном энергомашиностроении широко используется флюс марки ФЦ-16А (ОСТ 24.948.02-99, табл.1).

Флюс ФЦ-16А содержит в своем составе SiO₂ , СаО, Al₂О₃, CaF ₂, MnO, MgO, NaF при следующем соотношении компонентов, мас.%

SiO2	26-32
СаО	15-21
Al2О 3	17-21
CaF2	12-18
MnO	3-6
MgO	6-9
NaF	3-8
примеси
Fe2O 3	не более 1,0
S	не более 0,01
Р	не более 0,01

Флюс обладает хорошими сварочно-технологическими свойствами, однако его применение приводит к повышенному содержанию диффузионно-подвижного водорода в металле шва - 4,6-5,0 см³ при требуемом - не более 3,0 см³ на 100 г наплавленного металла. Это приводит к порообразованию и риску возникновения холодных трещин в металле шва. Указанный недостаток обусловлен повышенным содержанием основных окислов и компонентов СаО, CaF ₂, MnO, MgO, NaF относительно содержания кислых окислов SiO₂, Al₂O ₃ в составе флюса и его низкой окисляющей способностью.

Флюс SU 1754377 А1 В23К 35/362 содержит в своем составе SiO ₂, СаО, Al₂О₃ , CaF₂, MnO, MgO, Fe₂ O₃, TiO₂, K ₂O и/или Na₂O при следующем соотношении компонентов, мас.%:

SiO2	16-28
СаО	2-7
Al2О 3	14-22
CaF2	2-8
MnO	10-20
TiO2	16-21
MgO	11-16
Fe2O3	2-6
K 2O и/или Na2O	0,5-4

при этом должно выполняться соотношение: K₂O+Na₂O/ CaF ₂ 0,11.

Благодаря наличию компонентов, повышающих окисляющую способность флюса, таких как TiO₂ и Fe ₂О₃, флюс позволяет получать швы без пор и с содержанием водорода не более 3,0 см ³ на 100 г наплавленного металла.

Недостатком флюса является высокое содержание MnO. Содержание марганца более 13-15% приводит к увеличению активности MnO, за счет чего получает развитие реакция 2(МпО) 2[Mn]+2{O}. Реакция восстанавливает марганец, который переходит в наплавленный металл, тем самым снижая сопротивляемость металла к тепловому охрупчиванию.

Известен также сварочный флюс SU 1754378 А1, взятый в качестве прототипа, содержащий в своем составе SiO₂, TiO₂ , СаО, Al₂О₃, CaF ₂, MnO, Cr₂О₃ , Fe₂О₃, S, Р при следующем соотношении компонентов, мас.%

SiO2	20-25
СаО	13-18
Al2О 3	13-18
CaF2	20-30
MnO	7-13
TiO2	3-10
Cr2O 3	0,3-4
Fe2O3	0,4-0,9
S	0,01-0,005
Р	0,01-0,005

при этом должно выполняться соотношение: 1,1 SiO₂+Cr₂O ₃/ СаО 2,2.

Флюс позволяет обеспечить металл хорошего качества с высокими механическими свойствами при удовлетворительной отделимости шлаковой корки.

К недостаткам флюса можно отнести следующие:

- неудовлетворительное формирование металла шва при сварке на скоростях выше 28 м/ч в связи со значительным ухудшением стабильности дугового процесса при увеличении скорости сварки;

- отсутствие стабильности получения удовлетворительных технологических свойств при сварке швов толщиной более 50 мм и углом раскрытия кромок менее 8° (Содержание TiO₂ на верхнем приделе, при одновременном содержании SiO₂ на нижнем, приводит к появлению пор при наплавке валиков, находящихся по высоте шва выше 50 мм. Содержание TiO₂ на нижнем приделе, при одновременном содержании SiO ₂ на верхнем, ведет к плохому отделению шлаковой корки при сварке в разделку с углом раскрытия кромок менее 8°.);

- наличие во флюсе Cr₂O ₃ приводит к образованию высокотоксичных аэрозолей (хромовый ангидрит, хроматы, бихроматы) в воздухе при изготовлении и использовании флюса. Эти вещества имеют 1 класс опасности. При изготовлении и использовании этого флюса содержание в воздухе этих аэрозолей значительно превышает ПДК (0,01 мг/м³).

Техническим результатом предлагаемого изобретения является:

- обеспечение хорошего формирования металла шва на скоростях сварки выше 28 м/ч, при сварке в разделку с углом раскрытия кромок менее 8°;

- стабильность получения наплавленного металла без пор при толщине шва более 50 мм;

- обеспечение санитарно-гигиенических норм по ПДК вредных веществ в воздухе рабочей зоны при изготовлении и использовании флюса.

Технический результат достигается тем, что плавленый флюс для механизированной сварки низколегированной стали, содержащий SiO₂, CaO, Al ₂О₃, CaF₂, MnO, TiO₂ и имеющий ограничения по примесям, согласно изобретению дополнительно содержит К ₂О при следующем соотношении компонентов, мас.%:

SiO2	20-27
CaO	12-18
Al2О 3	13-18
CaF2	20-33
MnO	7-13
TiO2	3-10
К2O	1-5
примеси
Fe2О 3	не более 1,5
S	не более 0,01
Р	не более 0,01

при этом должно выполняться соотношение: 0,15 TiO₂/SiO₂ 0,40.

Добавка К₂O во флюс улучшает ионизацию и стабильность горения дуги, обеспечивая тем самым хорошее формирование металла шва на скоростях сварки выше 28 м/ч. Уменьшение содержания К₂O менее 1% приводит к неудовлетворительному формированию металла шва при сварке на скоростях выше 28 м/ч в связи со значительным ухудшением стабильности дугового процесса вследствие сокращения количества легкоионизируемых атомов калия. С другой стороны увеличение содержания К₂O более 5% приводит к пористости металла шва.

Установленное соотношение 0,15 TiO₂/SiO₂ 0,40 позволяет гарантировать хорошие технологические свойства флюса при сварке с углом раскрытия кромок менее 8° и толщине свариваемых деталей более 50 мм. При величине указанного соотношения ниже 0,15 шлак становится более вязким и "длинным", что приводит к ухудшению отделимости шлаковой корки, особенно это проявляется при сварке в узкую разделку (угол раскрытия кромок менее 8°). При превышении указанного соотношения более 0,40 наблюдается поры в наплавленных валиках, расположенных по высоте шва выше 50 мм. Это вызвано тем, что уменьшение содержания SiO ₂ при одновременном увеличении содержания TiO ₂ снижает стойкость флюса против гидратации, увеличивая тем самым концентрацию водорода в металле шва.

Оксид хрома исключен с целью обеспечения санитарно-гигиенических норм по ПДК вредных веществ в воздухе рабочей зоны при изготовлении и использовании флюса.

Экспериментально установлено, что содержание Fe₂О₃ до 1,5% не приводит к угару легирующих компонентов металла в количествах, влияющих на физико-механические свойства наплавленного металла. Нижний предел содержания Fe₂O ₃ исключен в связи с тем, что хорошая отделимость шлаковой корки обеспечивается соотношением 0,15 TiO₂/SiO₂.

Флюс изготавливается методом, применяемым для изготовления плавленых сварочных флюсов, т.е. сплавлением исходного сырья (мрамор, плавиковый шпат, кварцевый песок, глинозем, марганец, рутил и поташ) во флюсоплавильных печах с последующей грануляцией расплава водой.

Для лабораторных испытаний были изготовлено 6 опытных плавок флюса с различным содержанием основных компонентов: SiO₂, СаО, Al₂О ₃, CaF₂, MnO, TiO ₂, K₂O (табл.1). Сварка пластин из стали марки 15Х2МФА (ТУ 108.131-86) производилась проволокой марки Св-10ХМФТУ 4 мм (ТУ 14-1-4818-90) (химический состав в табл.2) на следующих режимах:

Iсв=550-600А, Uд=30-34В, Vсв=28-34 м/ч.

Угол раскрытия кромок составлял 2°±30 ^/.

Толщина свариваемых пластин 90 мм.

При испытаниях оценивались следующие параметры:

- химический состав металла шва;

- формирование наплавленного валика;

- отделимость шлаковой корки;

- наличие пор в металле шва;

- концентрация соединений Cr в воздухе рабочей зоны.

В таблицах 1, 2 и 3 приведены результаты сравнительных испытаний опытных плавок флюса и прототипа при сварке проволокой марки Св-10ХМФТУ в узкую разделку.

Результаты подтверждают ухудшение отделимости шлаковой корки при 0,15>TiO₂/SiO ₂ и возникновение пор при TiO₂/SiO ₂>0,4. С введением К₂О во флюс формирование металла шва становиться удовлетворительным при скорости сварки выше 28 м/ч.

Оптимальные пределы содержания компонентов плавленого флюса заявленного состава, а также их соотношения определяли по технологическим свойствам и результатам определения химического состава наплавленного металла. Результаты испытаний подтвердили высокие технологические свойства заявленного флюса при сварке на повышенных скоростях больших толщин.

Таким образом, предлагаемый плавленый флюс для механизированной сварки сталей перлитного класса позволяет вести сварку на повышенных скоростях с углом раскрытия кромок менее 8° на толщинах свыше 50 мм. Технико-экономический эффект при использовании предлагаемого флюса выразится в снижении трудозатрат за счет:

- снижения массы наплавленного металла за счет уменьшения угла разделки;

- уменьшения трудоемкости при зачистке шва и исправлении дефектов (удалении пор), а также за счет снижения расходов на охрану труда (вентиляцию).

Таблица 3 Химический состав наплавленного металла
№ пробы	Содержание элементов в металле шва
	С	Si	Mn	Cr	V	Ti	Мо	Р	S	Cu
1	0,04	0,32	0,85	1,52	0,16	0,01	0,45	0,011	0,012	0,07
2	0,06	0,24	0,72	1,65	0,20	0,02	0,44	0,010	0,011	0,07
3	0,07	0,26	0,68	1,63	0,20	0,03	0,43	0,012	0,010	0,07
4	0,05	0,28	0,70	1,65	0,19	0,03	0,45	0,011	0,009	0,07
5	0,06	0,21	0,70	1,63	0,20	0,03	0,45	0,010	0,010	0,07
6	0,05	0,25	0,71	1,63	0,19	0,03	0,44	0,010	0,010	0,07
Прототип	0,04	0,33	0,92	1,46	0,15	0,01	0,44	0,014	0,011	0,07

Таблица 4 Содержание в воздухе рабочей зоны аэрозолей соединений хрома
№плавки	содержание в воздухе рабочей зоны аэрозолей соединений хрома (хромовый ангидрит, хроматы, бихроматы в пересчете на Cr 2О3)
	при изготовлении флюса	при использовании флюса
	мг/м 3
Опытн. пл. 1	0,086	0,013
Опытн. пл. 2	0,079	0,021
Опытн. пл. 3	0,085	0,015
Опытн. пл. 4	0,091	0,011
Опытн. пл. 5	0,085	0,016
Опытн. пл. 6	0,083	0,013
SU1754378 А1 (прототип)	4,785	1,670