Сварочный электрод

СОЮЗСОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕ СКИРЕСПУБЛИК 1821319 А 05 В 23 К 35 36 ГОСУДАРСТВЕННОЕ ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ПАТЕНТНОЕ ИЕ ИЗОБРЕТЕНИУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ,ОПИСАК АВТОРС 2600650 Н/мм, Для повышения хладостойкости металла шва до температуры -70 С предлагается на стержень из низкоуглеродистой стальной проволоки нанести покрытие, содержащее, мас.: глинозем 3,1-3,4; полевой шпат 2;9 - 3;4; железный порошок 46,0-50,0, а в качестве карбоната щелочно- земельного металла применяется магнезит 10,7-13,07 О, в качестве органических пластификаторов - смесь целлюлозы и карбоксиметилцеллюлозы 2,2-2,5, в качестве молибденосодержащего сплава - молибденовый порошок 0,5-1,0, при следующем соотношении остальных компонентов, мас.: плавиковый шпат 6,0 - 7,5; рутил 11,7-14,5; ферромарганец 6,0-7,0; ферроси- а лиций 1,8 - 3,0; никелевый порошок 1,7 - 2,0, причем коэффициент массы покрытия составляет 145 - 160%. 4 табл. Поставленная цель в сварочном электроде,ного низкоугле родисто несенным на него покр плавиковый шпат, рут ферросилиций, железн зит, глинозем компоне нительно содержитполевой шпат, смесь эл зы и карбоксиметилце ние в смеси 87;13), а со не менее 3,1), при сле кии компонентов, мас,".,ь плавиковый шпаттся к дугопроизводм основнонтажа тиз ниэколныхределом ттируемыхтемпердту вой свар- тельным ОГО Видажелонаг- гировансталей, екучести районах рой. дости состо го сер ытием ыи по нт пок никел ектрод ллюлоэ держа н является повыше- алла шва до темпеке высокопрочных о с пределом текуд 6,0-7,511,7 - 14,5(56) Авторское свидетельство СССРМ 316555, кл. В 23 К 35/365, 17,07,90.Авторское свидетельство СССРМ 535144, кл. В 23 К 35/365, 1974,Авторское свидетельство СССРМ 281697, кл. В 23 К 35/365, 11,09.69.(57) Сущность изобретения; предложен сварочный электродс покрытием основного вида для сварки конструкций изнизколегированных высокопрочных сталей,преимущественно с пределом текучести Изобретение относи ке, в частности.к высоко электродам с покрытие для сварки в условиях м руженных конструкций ных высокопроч преимущественно с и 600-650 Н/мм 2, эксплуа с низкой климатической Целью изобретения ние хладостойкости мет ратуры -70 С при свар сталей преимущественн чести 600 - 650 Н/мм 2.Ю ается тем, что щем из сальдечника с насодержащим рромарганец, О рошок, магнерытия дополь, молибден, д ной целлюлоы (соотношеие глинозема ем соотношеферромарганец . 6,0-7,0 ферросилиций 1,8-3,0 никелевый порошок 1,7 - 2,0 магнезит 10,7-13,0 органическиепластификаторы 2,2-2,5 молибдвновый порошок 0,5 - 1,0 глинозем 3,1-3,4 полевой шпат 2,9-3,4 железный порошок 46,0 - 50,0 причем коэффициент массы покрытия составляет 145-160%, при соотношении ОЙ = 2,1 - 2,3, где б - диаметр стержня, мм; О - диаметр покрытия, мм,При сварке покрытыми электродами высокая прочность металла шва достигается за счет твердорастворного упрочнения матрицы в результате его легирования хромом, молибденом. Однако при этом не обеспечивается хладостойкость металла шва из-за образования крупных участков "жесткой" второй фазы в виде карбидов хрома или молибдена, что уменьшает длину свободного пробега дислокаций и ведет к межзеренному хрупкому разрушению. Эффективным путем упрочнения металла шва с одновре- менным обеспечением высокой вязкости при отрицательных температурах является его дисперсионное упрочнение плохо растворимыми частицами, например, карбонитридами алюминия или оксидными включениями. Согласно теории"барьеров" плохо растворимые соединения, выпадая по границам первичных, эустенитных зерен препятствуют их росту, что обеспечивает формирование мелкозернистой структуры, обладающей высокой прочностью и вязкостью при отрицательной температуре. Предупреждение образования крупных карбидов достигается за счет уменьшения содержания углерода в металле шва.В предлагаемом сварочном электроде обеспечение высокой прочности металла. шва и его хладостайкости при температуре -70 С достигается за счет одновременного введения в состав покрытия оксида алюминия в виде глинозема и железного порошка. . Введение низкоуглеродистого железного порошка в покрытие позволяет снизить содержание углерода в металле шва до 0,06- 0,08, что предупреждает образование карбидов. С увеличением количества глинозема в покрытии при сварке; в результате алюминиевовосстановительного процесса, металл шва обогащается мелкодисперсными неметаллическими включениями-оксидами алюминия, Согласно закона распределения оксидных фаз между шлаком и металлом, малые количества оксидов алюминия исключают возможность удаления оксидов алюминия из металла шва. Такие включения, имея сравнительно высокую температуру плавления, образуются нэ границах и в теле первичных аустенитных зерен на ранних стадиях кристаллизации сварочной ванны, При последующем охлаждении присутствие оксидов алюминия награницах зерен препятствует их росту, создавая благоприятные условия для форми рования мелкозернистой структуры.Пределы содержания глинозема в покрытии выбраны из условия обеспечения высокой прочности металла шва и его высокой хладостойкости. При температуре -70 С 15 при содержании глинозема менее 3,1% недостигается заданная п 2 рочность металла шва (не менее 700 Н/мм ), а при содержании глинозема более 3,40 снижается хладостойкость при температуре -700 С из-за 20 коагуляции оксидных включений типа корунда по границам зерен, что ведет к межэеренному хрупкому разрушению металла шва, Металлографические исследования показали, что при оптимальном содержании 25 глинозема в покрытии (3,1 - 3,40 ) формируется мелкоэеренная структура металла с размером зерен 40-70 мкм, с равномерно распределенными оксидными включениями преимущественно по границам зерей с раз мером 0,50-0,75 мкм, Металл шва с такойструктурой обладает временным сопротивлением разрыву не менее 700 Н /мм, ирдар- .ной вязкостью не менее 50 Дж/см при температуреС(образцы тип И по ГОСТ .35 6996-66), .Пределы содержания в покрытии никелевого пооошка (1,7-2,0%) выбраны из условия необходимости обеспечить оптимальноесодержания никеля в шве(1,3 - 40 1,50 ) с целью повысить вязкость металлашва в интервале температур 20-(-70)С. При. содержании никелевого порошка менее1,70 не достигается эффект улучшения вязкости металла шва. При содержании никеле вого порошка более 2,0% возможноснижение вязкости металла шва из-за усиления его химической неоднородности.Пределы содержания в покрытии молибденового порошка (0,5 - 1,0%) выбраны 50 из условия необходимости обеспечить опти-.мальное содержание молибдена в шве (0,35 - 0,55%) с целью повысить прочность металла шва. При содержании молибденового порошка менее 0,5 эффект от его 55 введения в покрытие незначителен. Повышение содержания молибденового порошка более 1,00 приводит к хрупкому разрушению металла шва из-за образования в его структуре крупных участков "жесткой" фазы. Пределы содержания ферромарганца(6,0 - 7,0 ) и ферросилиция (1,8 - 3,0) в по- Стабильное горение дуги переменного крытии выбраны иэ расчета необходимости тока от стандартного трансформатора с обеспечения оптимального содержания Ох х = 70 + 2 В достигается за счет введемарганца(1,1 - 1,4 )и кремния(0,25 - 0,35 ) ния в состав покрытия полевого шпата и в наплавленном металле, при которых до железного порошка, повышение хладостойстигаются требуемая пластичность металла кости металла шва при сохранении заданшва при заданной его прочности. Нижний ной его прочности достигается за счет предел содержания ферромарганца(6,0) и введения в покрытие глинозема.ферросилиция (1,8 ) определен заданными Стабильность горения дуги переменнозначениями пластичности металла шва. 10 го тока определяется электрофизическими Верхний предел ферромарганца (7,0 ) ихарактеристиками дугового разряда, кото- ферросилиция (3,0 ) ограничен возможно- рые связаны с составом и массой покрытия, стью снижения пластичности металла шва режимом сварки и т,д, Введение в состав из-за твердорастворного упрочнения фер- покрытия электродов фторсодержащих комритной матрицы. 15 понентов с целью улучшения металлургичеВведение магнезита и плавиковогоских свойств шлака, вызывает ухудшение шпата в покрытие обусловлено необходи- стабильности горения дуги переменного томостью обеспечить гаэошлаковую защиту ка из-за обогащения периферийной области расплавленного металла и улучшить физи- столба дуги отрицательными ионами фтора, ко-химические свойства расплавленного 20 что приводит к контрагированию дуги. Нашлака. При содержании магнезита менее ряду с контрагированием столба дуги при 10,4 обеспечивается надежная газовая за- сварке на переменном токе усиливается общита расплавленного металла, что приво- разование отрицательных ионов в переходдит к его насыщению азотом иэ ной период: при изменении полярности, окружающего воздуха. При содержании 25 Для облегчения восстановления электро- магнезита более 13,0 снижается вязкость проводности дуги при смене полярйости в шлака, что приводит к формированию ме- состав покрытия вводят компоненты содерталла шва с сильным усилением,при сварке жащие легкоионизируемые элементы, натавровых соединений в нижнем положении. пример, щелочные металлы, что приводит к Нижний предел плавикового шпата (6,0 ) 30 насыщению зоны столба дуги положительвыбран из условия обеспечения низкого со- ными ионами, Однако, обеспечивая электдержания водорода в наплавленном метал- ропроводность столба. дуги, в переходной ле, а верхний предел (7,5 ) из условия период, легкоионизируемые элементы сниобеспечения стабильного горения дуги пе- жают температуру столба дугового разряда, ременного тока, 35 что усиливает неблагоприятное действиеПределы содержания в покрытии рути- отрицательных ионов на стабильность горе-ла(11,7 - 14,5 ) выбраны изусловияобеспе- ния дуги переменного тока, Компенсация чения хороших сварочно-технологических отрицательного влияния отрицательных свойств электродов при сварке стыковых и . ионов на стабильность горения дуги пере- тавровых соединений в нижнем положении. 40 менного тока может быть достигнута за счет Присодержании рутиламенее 12 необес- выведения отрицательных ионов на максипечивается.легкая отделимость шлаковой мально возможное расстояние от столба дукорки при сварке корневого шва в стыковом . ги, например, за счет увеличения толщины соединении, а при содержании рутила бо- покрытия. Увеличение толщины по: ";ытия лее 14,5 из-за повышения вязкости шлака 45 электрода без изменения его состава огра- затруднено визуальное наблюдение за сва- ничено условиями обеспечения сварочнорочной ванной, что может привести к обра- технологических свойств электродов.зованию дефектов в металле шва, . Таким образом, стабильное горение дуги переменного тока при сварке предлагаеСодержание органических пластифика мым сварочным электродом достигается за торов (2,2 - 2,5 и их вид (целлюлоза, кар- счетодновременного введения в состав побоксиметилцеллюлоза) выбраны из условия крытия щелочного алюмосиликата и полево.обеспечения технологических свойств об- го шпата с ростом толщины покрытия, мазочной массы. При содержании менее Пределы содержания полевого шпата, 2,2 не достигается эффект пластифициро железного порошка и отношении диаметра вания обмазочной массы, а при содержании покрытия к диаметру стеожня выбраны из более 2,5 возможно наводораживание ме- условия достижения стабильного горения талла шва в результате неполной деструк- . дуги переменного тока и возможности изгоции органических пластификаторов при товления электродов в условиях конвейертермообработке электродов, но о производства, При содержанииполевого шпата менее 2.9 железного порошка менее 46,0 и соотношении О/б менее 2,1 не достигается стабильного горения дуги от стандартного трансформатора с напряжением холостого хода (70 + 2) В. При содержании полевого шпата более 3,4 железного порошка более 50,0 и соотношения О/д более 2,4 электрод становится нетехнологичным в изготовлении: из-за больших размеров оболочки электрода невозможно получить бездефектное покрытие,Конкретные составы электродного покрытия приведены в табл. 1,Покрытие наносили на стержни диаметром 4 мм из сварочной проволоки марки СвА. по ГОСТ 2246-70. При изготовлении обмазочной массы предлагаемого сварочного электрода использовалось калиево-натриевое жидкое стекло с модулем 3,12, плотностью 1424 кнlм и вязкостью 460зМПа с, Количество стекла 24% от массы сухой шихты; Электроды вариантов 1-5 изготовлены с коэффициентом массы покрытия (к.м.п.) 150;, электроды вариантов 5 и 7 имеют к,м.п, =140, а электроды вариантов 8 и 9 - к,м.п. = 1650/О. Электроды опрессовки подвергали термообработке в камерных печах на режимах,установленных технологической инструкцией.При сварке электродами диаметром 4 мм от трансформатора ТДстыковых и угловых соединений из высокопрочных сталей в нижнем положении на режимах: сварочный ток 200 - 220 А, напряжение 24 - 26 В, скорость сварки 22-25 см/мин. Электроды вариантов 2-4 обеспечивают стабильное горение дуги переменного тока, малое разбрызгивание металла шва, легкую отделимость корки, высокую стойкость профтив образования пор, горячих и холодных трещин. Электроды вариантов 6-9 характеризуются нестабильньгм горением дуги переменного тока и неудовлетворительными сварочно-технологическими. характеристиками. При испытании трех вариантов сварочного электрода (табл, 1 составы 2 - 4) в соответствии с предлагаемым изобретением, а также шести вариантов(1,56 - 9), состоящих из тех же компонентов, но в процентном отношении (составы 1, 5) и по коэффициенту массы покрытия (6-9) выходящих за иределы, установленные предлагаемым изобретением, определяли химический состав наплавленного металла (табл, 2), механические свойства металла шва на стали 12 ГН 2 МФ ЮА по ТУ 14-1156-74 , толщиной 30 мм (табл. 3) стабильность горения дуги переменного тока и производительность наплавки (табл. 4). Механические свойства металла шва оценивали по величинам временного сопротивления разрыву и относительному удлинению, определяемых 5 на образцах тип П по ГОСТ 6996-66 прииспытаниях на статическое растяжение при температуре 20 С и по величине ударной вязкости, определяемой при испытаниях на ударный изгиб образцов тип Ч по 10 ГОСТ 6996-66 (образцы Менаже) при температурах 20 и -70 С.Стабильность горения дуги переменного тока оценивали по величине минимального напряжения холостого хода 15 трансформатора, при которой достигаетсяустойчивое горение дуги без обрывов, опре-деляемой на анализаторе АСП, Как видно из данных табл. 4 сварочные электроды вариантов 2-4, в соответствиис предлагае мым изобретением, обеспечиваютстабильное горение дуги переменного тока от трансформатора с напряжением холостого хода (70 ь 2) В. При изменении процентного содержания компонентов в покрытии и 25 коэффициента массы покрытия, выходящихза пределы предлагаемого изобретения, стабильное горение дуги переменного тока достигается при использовании трансформатора с напряжением холостого хода не 30 менее 75 В, Как видно из приведенных данных электроды вариантов 2-4 обеспечивают металл шва с временным сопротивлением разрыву не менее 700 Н/мм и ударную вязкость при температуре -70 С не менее 50 35 Дж/см, а также стабильное горение дуги оттрансформатора с напряжением холостого хода(70 .ф.2) В. Испытания сварочных электродов вариантов 1, 5, 6 - 9 показали, что ни один из них не обеспечивает одновременно 40 стабильного горения дуги переменного токаот трансформатора с О, х = (70 2) В и требуемого уровня механических свойств металла шва, сварочно-технологических характеристик электродов, что позволяет сде 45 лать вывод о правильности выбранных пределов содержания компонентов в покрытии, коэффициента массы покрытияпредлагаемого сварочного электрода.Предлагаемый сварочный электрод,50предназначенный для сварки ответственных конструкций из низколегированных высокопрочных сталей, преимущественно с пределом текучести 600-650 Н/мм в ниж 2нем положении обладает рядом техниче 55 ских преимуществ по сравнению спрототипом: обеспечивает высокую хладостойкость металла шва при требуемом уровне прочности; обеспечивает стабильное горение дуги переменного тока от транс10 1821319 ТаблицаСоаерлшнее, мас. 4 ь, а покрытии состааа Компонент з. з,г13,747,4 2,2 1,О 3,1 3,4 14, 46.О 50 . 150 2,2.1 160 2,3 140 г,о 165 2.4 165 2,4 150 2,1 1502,1 140 2,0 Таеяии2 форматора с Ок х = 00-" 2) В; обладает высокими сварочно-технологическими свойствами.Ориентировочная потребность народного хозяйства в предлагаемом сварочном электроде составит 1000 т в год,Формула изобретения Сварочный электрод для сварки низколегированных высокопрочных сталей, состоящий из стального низкоуглеродистого сердечника с нанесенным на него покрытием, содержащим плавиковый шпат, рутил, ферромарганец, ферросилиций, железный порошок, магнезит, глинозем, пластификатор. о т л и ч а ю щ и й с я тем, что. с целью повышения хладостойкости металла шва до температурыС при сварке низколегированных высокопрочных сталей преимущественно с пределом текучести 600-650 Н lмм, покрытие дополнительно содержит никель,молибден, полевой шпат, а в кацестве пластификаторов - смесь электродной целлюлозы и карбоксиметилцеллюлозы (соотношение в смеси 87;13), при следую щем соотношении компонентов, мас,:плавиковый шпат . 6,00 - 7,5 рутил : 11.7 - 14,5 ферромарганец 6.0-7,0 ферросилиций1,8-й,0 10 никелевый порошок 1,7 - 2,0магнезит " 10,7-1 й,0 указанныепластификаторы 2;2-2 5 молибденовый порошок .0,5-1,0 15 глинозем :й,1-3,4полевой шпат . 2,9-й,4 железный порошок: 46,0-50,0причем коэффициент массы покрытия составляет 145-160, при соотношении 20 Об-.2 т 12,3, где б -диаметр стержня, мм,О - диаметр покрытия, мм.14 1321319 Таблица 3 ны средние значения не менее трех определений,ие:В Прим лице и аблица орректор С, Патрушева . Составитель В. ПозднякаТехред М,Моргентал Редак Кулаков Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул, Гагарина Заказ 2084 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5