Активирующий флюс для электродуговой сварки

Активирующий флюс для электродуговой сварки

Реферат

Изобретение относится преимущественно к машиностроению и может быть применено, например, при электродуговой сварке легированных сталей вольфрамовым и плавящимся электродом.

Известен флюс для электродуговой сварки теплоустойчивых и жаропрочных сталей [Паршин С.Г., Казаков Ю.В., Корягин К.Б. Активирующий флюс для электродуговой сварки. Патент РФ №2164849 от 19.04.2001 г.]. Он содержит, вес.%: гексафторалюминат лития 17...25; двуокись титана 17...25; тугоплавкое соединение из группы: двуокись кремния, двуокись германия, двуокись теллура 35...40; хлорид кальция 20...30.

Данный флюс в виде раствора порошка в этиловом спирте наносят на свариваемые кромки деталей, что позволяет увеличить глубину проплавления металла. Хлорид кальция увеличивает сцепление слоя флюса с поверхностью металла, что позволяет стабилизировать процесс поступления флюса в дугу и улучшить формирование шва.

Однако большое количество хлорида кальция и полупроводниковых оксидов в составе флюса увеличивают электропроводимость известного флюса в расплавленном состоянии, что расширяет активное пятно дуги и снижает глубину проплавления металла. Кроме того, состав флюса слабо защищает расплавленный металл от воздействия водорода и азота при сварке во влажной атмосфере и в неблагоприятных условиях.

Известен флюс для электродуговой сварки высокопрочных теплоустойчивых и жаропрочных сталей [Паршин С.Г., Казаков Ю.В., Корягин К.Б. Активирующий флюс для электродуговой сварки. Патент РФ №2198773 от 20.02.2003], принятый за прототип. Он содержит, вес.%: гексафторалюминат лития 20...30; двуокись титана 20...30; окись алюминия 10...30; хлорид кальция 20...30.

Введение во флюс окиси алюминия позволяет уменьшить электропроводимость известного флюса в расплавленном состоянии, что увеличивает эффективность флюса и глубину проплавления металла, сохраняя при этом высокую стабильность формирования шва.

Однако состав флюса также слабо защищает сварной шов от проникновения водорода и азота. В монтажных условиях, например, на открытой площадке, при высокой влажности среды, при ремонте энергетического оборудования, защитная атмосфера вокруг сварочной дуги насыщается влагой, водородом и азотом, которые растворяются в расплавленном металле и образуют в сварочном шве газовые поры [Походня И.К. Газы в сварочных швах. М.: Машиностроение, 1972 г., 256 с.]. Газовые поры являются недопустимыми дефектами, поскольку снижают прочность и герметичность сварных соединений ответственных конструкций.

Технической задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является улучшение качества сварных соединений.

Сущность изобретения заключается в том, что флюс-прототип, содержащий гексафторалюминат лития, двуокись титана и оксид алюминия Al₂O₃, вместо хлористой соли кальция содержит группу галогенидных солей магния, вес.%:

Гексафторалюминат лития	20...30
Двуокись титана	20...30
Оксид алюминия	10...30
Хлорид магния	10...20
Бромид магния	10...20
Йодид магния	10...20

Такая совокупность известных и новых признаков позволяет получить высокую проплавляющую способность сварочной дуги при хорошем формировании сварного шва без образования газовых пор. Это становится возможным, поскольку группа солей магния активно взаимодействует с влагой и водородом в атмосфере дуги и связывает их в нерастворимые в сварочной ванне газообразные соединения. Одновременно хлорид магния способствует образованию соединений, которые связывают азот в нитриды.

Предлагаемый флюс содержит гексафторалюминат лития Li₃AlF₆, двуокись титана TiO₂, оксид алюминия Al₂O₃ и группу галогенидных солей магния: MgCl₂, MgBr₂, MgI₂. Компоненты флюса взяты в следующем соотношении, вес. %:

Гексафторалюминат лития	20...30
Двуокись титана	20...30
Оксид алюминия	10...30
Хлорид магния	10...20
Бромид магния	10...20
Йодид магния	10...20

Цель изобретения достигается тем, что в состав флюса вместо малоактивного хлорида кальция вводят группу более активных галогенидных солей магния. Данная группа галогенидных солей магния обладает максимальным давлением паров, имеет различные температуры плавления и кипения и при сварке полностью переходит в парообразное состояние [Уикс К.Е., Блок Ф.Е. Термодинамические свойства 65 элементов, их окислов, галогенидов, карбидов и нитридов. Пер. с англ., М.: Металлургия, 1965 г., 240 с.]. При сварке данная смесь паров окружает дугу и сварочную ванну и препятствует проникновению влаги, водорода и азота в зону сварки.

Соли магния обладают высокой химической активностью по отношению к воде H₂O, молекуле Н₂ и атому Н водорода и легко связывают водород в нерастворимые в сварочной ванне соединения. Образуемые продукты реакций HF, HCl, HBr, HI имеют высокую энтальпию диссоциации, что благоприятствует сжатию столба дуги за счет отбора теплоты на диссоциацию от границ столба дуги [Замков В.Н., Прилуцкий В.П., Гуревич С.М. Влияние состава флюса на процесс сварки титана неплавящимся электродом. // Автоматическая сварка., 1977 №4, с.22-26 и Скворцов Е.А. К вопросу о механизме контрагирования дуги при сварке по флюсу // Сварочное производство, №4, 1989 г., с.36-38].

В конденсированном состоянии оксид TiO₂, входящий в состав флюса, взаимодействует с хлористой солью магния MgCl₂, образуя газы TiCl₂, TiCl₃, TiCl₄, которые активно связывают азот N₂ в нитрид титана TiN. Это препятствует насыщению азотом сварочной ванны и образованию азотных пор. Хлористая соль магния MgCl₂ обеспечивает хорошее сцепление слоя флюса с поверхностью металла. Это препятствует выдуванию флюса потоком дуговой плазмы, поэтому флюс более равномерно поступает в дугу, что обеспечивает стабильное формирование шва.

Соединение гексафторалюминат лития при сварке диссоциирует на соединения LiF и AlF₃, которые химически взаимодействуют с двуокисью титана TiO₂. При этом образуются соединения TiF₄, TiF₃, TiF₂, которые имеют высокие энтальпии диссоциации и сжимают столб дуги, увеличивая глубину проплавления металла.

В то же время продукты диссоциации гексафторалюмината лития - LiF, AlF₃ и группа солей магния: MgF₂, MgCl₂, MgBr₂ являются нейтральными по отношению к оксиду алюминия Al₂О₃, который уменьшает электропроводимость расплавленного флюса на поверхности сварочной ванны. Это уменьшает диаметр активного пятна дуги и стабилизирует его положение на сварочной ванне, что увеличивает глубину проплавления металла.

Основной причиной образования газовых пор является поглощение водорода расплавленным металлом [Походня И.К. Газы в сварочных швах. М.: Машиностроение, 1972 г., 256 с.]. Источниками водорода при сварке является влага, которая содержится в атмосфере дуги, сварочных материалах, ржавчине и загрязнениях. Вода Н₂О при температуре дуги диссоциирует:

H₂O↑=Н₂↑+1/2 О₂↑ и Н₂↑=H↑+H↑.

Константа равновесия реакций диссоциации увеличивается с ростом температуры плазмы, которая максимальна в центре дуги и минимальна на ее границе. Удаление влаги и водорода основано на химическом связывании молекул Н₂О, H₂, атомов Н в газообразные соединения, нерастворимые в сварочной ванне по следующим типам химических реакций:

где Me - металл; G - галоген; к - конденсированная (жидкая или твердая) фаза; г - газообразная фаза. При сварке галогенидная соль может существовать в двух отдельных фазах, которые имеют разные значения энтальпии, энтропии и приведенной энергии Гиббса.

В результате всех типов реакций I...IX количество водорода в зоне горения дуги и в расплавленном металле резко снижается, что предупреждает возникновение газовых пор и повышает качество сварного соединения.

Вероятность химических реакций увеличивается с ростом констант равновесия химических реакций, которые для реакций с солями магния имеют более высокие положительные значения, табл.1

Таблица 1
Значения логарифма константы равновесия химических реакций lg Kp
Тип реакции и температура, К	Соль CaCl2	Соль MgCl2	Соль MgBr2	Соль MgI2
	Тпл=1055 К	Тпл=987 К	Тпл=984 К	Тпл=923 К
	Ткип=2300 К	Ткип=1691 К	Ткип=1500 К	Ткип=1200 К
I	1000	-5,5	0,8	1	2,5
2000	-0,9	1,9	1,9	3
3000	0,5	2,1	1,93	2,5
4000	1,1	2,3	1,95	1,7
II	1000	-31,8	-22,7	-22,5	-21
2000	-9,8	-5,1	-5	-4
3000	-2,8	0,6	0,4	0,8
4000	0,3	3	2,5	2,9
III	1000	9,2	10,4	3,9	4,4
2000	5,7	6,3	0,75	0,95
3000	4,5	4,9	-0,2	0,03
4000	3,7	4,1	-0,5	-0,3
IV	1000	-23,1	-18,9	-19,7	-19,1
2000	-8,5	-5,9	-6,3	-6,05
3000	-3,6	-1,5	-1,8	-1,6
4000	-1,2	0,6	0,45	0,5
V	1000	-22,6	-14,2	-14	-13,5
2000	-6,6	-2,2	-2,3	-2,2
3000	-1,3	1,7	1,6	1,5
4000	1,4	3,7	3,6	3,5
VI	1000	-26,9	-16,7	-17,2	-14,9
2000	-7,8	-2,8	-2,9	-1,7
3000	-1,8	1,4	1,1	1,7
4000	0,6	3,1	2,6	3
VII	1000	-18,1	-12,8	-13,7	-13,1
2000	-6,5	-3,6	-4,1	-3,8
3000	-2,7	-0,56	-0,97	-0,7
4000	-0,8	0,9	0,6	0,75
VIII	1000	-9,6	0,6	-0,7	2,4
2000	-2,2	2,7	2,7	3,8
3000	-0,2	3,1	2,8	3,3
4000	0,8	3,2	2,85	3,4
IX	1000	1,25	4,45	3,6	4,16
2000	0,12	1,9	1,4	1,78
3000	-0,35	1	0,68	0,86
4000	-0,64	0,44	0,2	0,29

Предложенное количественное соотношение компонентов флюса обеспечивает наиболее эффективное снижение образования газовых пор за счет активного взаимодействия паров флюса с влагой, водородом и азотом. В то же время, данное соотношение компонентов обеспечивает наиболее эффективное их воздействие на концентрацию тепловой мощности сварочной дуги, обеспечивает повышение ее проплавляющей способности и сохраняет стабильность формирования сварного шва.

Флюс готовят путем смешивания предварительно измельченных до размера 50 мкм компонентов. Перед смешиванием компоненты прокаливают при температуре 150-200°С в течение 1,5-2 часов. Полученную смесь флюса разводят в этиловом спирте в соотношении 1:1 и хранят в герметичной стеклянной таре.

Примером применения данного флюса может служить сварка труб конвективного пароперегревателя котла ТГМ-96 диаметром 36×6 мм из стали 12Х1МФ. Флюс наносили на поверхность труб по обе стороны от стыка и на присадочную проволоку Св-08ХМФА диаметром 2 мм слоем толщиной 0,05 мм. Флюс имел состав, вес.%: гексафторалюминат лития 25%; двуокись титана 20%; оксид алюминия 10%; хлорид магния 15%; бромид магния 15%; йодид магния 15%. На другие образцы труб наносили слой флюса-прототипа, который имел состав, вес.%: гексафторалюминат лития 25%; двуокись титана 30%; окись алюминия 20%; хлорид кальция 25%. Сварка труб производилась на открытой монтажной площадке при относительной влажности среды 85%, при наличии потока воздуха, имеющего скорость 7 м/с. Сила тока составляла 100 А, расход аргона 7...8 л/мин. При сварке без флюса наблюдалось плохое формирование, возникали поры и разбрызгивание, стабильность горения дуги была низкой. При сварке по слою флюса формирование шва и стабильность горения дуги улучшились, поры отсутствовали. После сварки сварные соединения подвергали рентгенографическому контролю на рентгенаппарате "Арина-3", табл.2.

Таблица 2
Результаты рентгенографического контроля
Вид сварки	Результаты расшифровки рентгенографических снимков
1. Сварка труб без флюса	Цепочки и скопления пор ⊘0,8 и ⊘1,2 мм по 1/3 периметра сварного шва
2. Сварка труб без флюса	Цепочки пор ⊘0,3 мм и отдельные поры ⊘0,8 мм по ¼ периметра сварного шва
3. Сварка труб без флюса	Цепочки пор ⊘0,6 мм и отдельные поры ⊘0,3 мм по 1/3 периметра сварного шва
6. Сварка труб с флюсом-прототипом	Отдельные поры ⊘0,2 мм и 0,5 мм по периметру шва
4. Сварка труб с предлагаемым флюсом	Пор нет
5. Сварка труб с предлагаемым флюсом	Пор нет

Таким образом, предлагаемый состав флюса, по сравнению с флюсом-прототипом, обеспечивает технический эффект, который выражается в повышении качества сварных соединений и снижении образования газовых пор. Предлагаемый флюс содержит известные доступные компоненты, прост в изготовлении, может быть изготовлен и применен с помощью известных в технике средств. Следовательно, предлагаемый флюс обладает промышленной применимостью.

Активирующий флюс для электродуговой сварки, содержащий гексафторалюминат лития, двуокись титана и оксид алюминия, отличающийся тем, что флюс содержит дополнительно группу галогенидных солей магния, а компоненты взяты в следующем соотношении, вес.%:

Гексафторалюминат лития	20-30
Двуокись титана	20-30
Оксид алюминия	10-30
Хлорид магния	10-20
Бромид магния	10-20
Йодид магния	10-20