минеральный сплав для покрытий сварочных электродов

Формула изобретения

Минеральный сплав для покрытий сварочных электродов основного типа, содержащий оксид кремния, оксид алюминия и оксид кальция, отличающийся тем, что он дополнительно содержит оксид железа(III), оксид магния и оксид натрия и/или оксид калия при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Оксид кремния SiO2	38-39
Оксид алюминия Al2 O3	22-24
Оксид железа Fe2O3	12-14
Оксид кальция СаО	10-12
Оксид магния MgO	9-10
Оксид калия и/или натрия (K 2O и/или Na2O)	3-5

Описание изобретения к патенту

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 Al2O3	45,0-51,0
Оксид кремния SiO2	13,0-17,0
Диоксид титана TiO2	3,0-7,0
Оксид кальция СаО	10,0-16,0
Фторид кальция CaF2	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 SiO2	38-39
Оксид алюминия Al2 O3	22-24
Оксид железа Fe2O3	12-14
Оксид кальция СаО	10-12
Оксид магния MgO	9-10
Оксид калия и/или натрия (K 2O и/или Na2O)	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.

Введение в расплав оксида натрия и/или калия (Na ₂O и/или K₂O) 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.

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_св.=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
	SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	K2 Ou/или Na2O
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.