Электрод для подводной сварки

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ЭЛЕКТРОД ДЛЯ ПОДВОДНОЙ СВАРКИ(71) Заявители Дочерняя компания Укртрансгаз Национальной акционерной компании Нефтегаз Украины Институт электросварки имени Е.О.Патона(72) Авторы Ляховая Инна Васильевна Максимов Сергей Юрьевич Бут Виктор Степанович Радзиевская Алла Адоньевна Дрогомирецкий Михаил Николаевич Педько Борис Иванович Оверко Александр Федорович(73) Патентообладатели Дочерняя компания Укртрансгаз Национальной акционерной компании Нефтегаз Украины Институт электросварки имени Е.О.Патона(57) Электрод для подводной сварки, состоящий из стержня, изготовленного из проволоки Св-08, и покрытия, содержащего рутиловый концентрат и полевой шпат, отличающийся тем, что покрытие дополнительно содержит флюорит, ферросилиций, окись железа, магнезит металлургический, марганец металлический, никелевый порошок и карбоксиметилцеллюлозу при следующем соотношении компонентов, мас. 11254 1 2008.10.30 рутиловый концентрат 18,0-33,5 полевой шпат 8,0-12,0 флюорит 19,5-28,0 ферросилиций 0,5-2,0 окись железа 13,0-28,0 магнезит металлургический 4,0-8,0 марганец металлический 5,0-10,0 никелевый порошок 0,5-3,5 карбоксиметилцеллюлоза 1,5-2,0,при этом коэффициент массы покрытия электрода составляет 22-25 . Изобретение относится к области дуговой сварки плавлением, в частности к разработке сварочных материалов для ручной подводной мокрой сварки малоуглеродистых и низколегированных сталей. Может быть использовано в газовой и других областях промышленности. Проблема сварки подводных металлоконструкций во всех пространственных положениях на сегодняшний день не решена. Шлаковая система покрытия существующих электродов обеспечивает качественное формирование металла шва преимущественно в нижнем положении. При сварке на вертикальной плоскости и особенно в потолочном положении сварочно-технологические свойства электродов ухудшаются, так как физические свойства шлака, образующегося при плавлении электродного покрытия, не обеспечивают надежную защиту расплавленного металла, не предупреждают его стекание, а также образование подрезов и наплывов. Как результат, формирование наплавленного металла становится неудовлетворительным, механические свойства таких швов резко снижаются. В то же время большинство работ при ремонте подводных металлоконструкций (подводная часть корпуса судов, трубопроводы, вертикальные опоры платформ и стенки портовых сооружений) нужно выполнять именно в пространственных положениях, отличных от нижнего. Поэтому обеспечение возможности сварки во всех пространственных положениях - один из ключевых вопросов при создании электродных материалов, разработке или совершенствовании технологического процесса подводной сварки. Кроме того, уровень механических свойств металла швов не удовлетворяет требованиям Спецификации по подводной сварке / 3.6, что ограничивает применение мокрой подводной сварки узким кругом малоуглеродистых сталей. Известен электрод ЭПС-52 Мадатов Н.М. Подводная сварка и резка металлов. - Ленинград Судостроение, 1967. - . 142) с покрытием рудно-кислого типа, предназначенный для сварки под водой углеродистых и низколегированных сталей, покрытие которого содержит, мас.двуокись титана 35 полевой шпат 10 мрамор 10 циркониевая руда 5 ферромарганец 5 ферротитан 12 ферросилиций 3 поташ 10 жидкое стекло 20. Основными его недостатками являются неудовлетворительные сварочно-технологиические свойства и низкий уровень механических свойств из-за очень высокого содержания диффузионного водорода и шлаковых включений. 2 11254 1 2008.10.30 В качестве прототипа нами избран электрод ЭПС-АН 1 а.с. СССР 1706821, МПК В 23 35/365, который позволяет выполнять мокрую подводную сварку во всех пространственных положениях и покрытие которого содержит, мас.полевой шпат 6-11 мрамор 3-7 ферромарганец 5-20 целлюлоза 1,5-2,5 рутиловый концентрат остальное. Но указанный электрод не обеспечивает качественное формирование многопроходных стыковых швов. Покрытие электрода-прототипа сугубо рутилового типа и создает короткие шлаки с высокой температурой твердения, что вызывает образование наплавленных валиков с низким коэффициентом формы - валики почти треугольные, довольно высокие,не имеют плавного перехода к поверхности предварительно наплавленных швов. При наплавке следующих швов это приводит к возникновению дефектов в виде несплавлений,зашлаковок, подрезов и т.п. Кроме того, указанные электроды не обеспечивают достаточный уровень механических свойств металла шва. Задачей изобретения является обеспечение при сварке во всех пространственных положениях качественного формирования металла шва и показателей механических свойств металла шва в соответствии с требованиями Спецификации по подводной сварке/ 3.6. Поставленная задача решается тем, что электрод состоит из стержня, изготовленного из проволоки Св-08, и покрытия, содержащего рутиловый концентрат и полевой шпат, а покрытие дополнительно содержит флюорит, ферросилиций, окись железа, магнезит металлургический, марганец металлический, никелевый порошок и карбоксиметилцеллюлозу при следующем соотношении компонентов, мас.рутиловый концентрат 18,0-33,5 полевой шпат 8,0-12,0 флюорит 19,5-28,0 ферросилиций 0,5-2,0 окись железа 13,0-28,0 магнезит металлургический 4,0-8,0 марганец металлический 5,0-10,0 никелевый порошок 0,5-3,5 карбоксиметилцеллюлоза 1,5-2,0,при этом коэффициент массы покрытия составляет 22-25 Снижение температуры твердения шлака, его удлинение, а также увеличение угла смачивания основного металла расплавленным достигнуто путем введения в покрытие сбалансированного количества флюорита и окиси железа. Введение значительного количества фторидов обеспечивает снижение содержания водорода в металле шва, десульфацию расплавленного металла, высокую степень усвоения легкоокисляющихся элементов и вместе с полевым шпатом оказывает содействие образованию шлаковой корки, которая надежно защищает шов от окружающей среды, и получению хорошего формирования. Это техническое решение - результат тщательного исследования влияния компонентов тройной системы 2-2- на сварочно-технологические свойства электродов для подводной мокрой сварки. Сущность проведенных опытов иллюстрирует фигуре, где на концентрационном треугольнике качественно воспроизведен характер влияния соотношения ингредиентов системы 2-Т 2- на сварочно-технологические свойства электродов. Здесь А - область оптимальных составов покрытия электродов, которые соответствуют требованию выполнения мокрой подводной сварки многопроходных стыковых швов во всех пространственных положениях. 3 11254 1 2008.10.30 Направление 1 - при таком изменении соотношений ингредиентов увеличивается склонность к образованию наплавленных валиков треугольной формы, образованию твердой керамической шлаковой корки со склонностью к заклиниванию при многослойной сварке стыковых соединений, увеличению коэффициента усиления швов, огрублению чешуйчатости, образованию дефектов в виде подрезов, шлаковых включений при сварке многопроходных швов. Направление 2 - при таком изменении соотношений ингредиентов увеличивается склонность к образованию твердой керамической шлаковой корки, высоких неравномерных грубочешуйчатых, а в конце концов литых валиков округлой формы, ухудшается отделение шлаковой корки, появляются большие капли рядом со швом, возрастает напряжение дуги, режим становится неустойчивым. Направление 3 - при таком изменении соотношений ингредиентов увеличивается склонность к образованию валиков с малым усилением, мелкочешуйчатой поверхностью и плавным переходом к поверхности основного металла или предварительно наплавленных валиков, перенос расплавленного металла приобретает мелкокапельный характер, наблюдается образование аморфовидного шлакового покрытия наплавленных валиков,которое легко удаляется щеткой, возможность качественной сварки в пространственных положениях, отличных от нижнего, ограничивается. Таким образом границы содержания флюорита, рутилового концентрата и окиси железа, а также их соотношение в покрытии электрода, который предлагается в качестве изобретения, определены в ходе исследования шлаковой системы 2-Т 2- и отвечают значениям области А оптимальных составов системы. С целью улучшения стабилизации дугового промежутка и обеспечения стабильного горения дуги как на прямой, так и на обратной полярности, а также определенного увеличения коэффициента формы шва в покрытие введен магнезит (в виде магнезита металлургического), что также практически предотвращает разбрызгивание. Введение магнезита в количестве, которое превышает принятый предел, приводит к огрублению чешуйчатости валиков и неравномерности их по высоте. Окись железа при введении в шлаковую систему 2-2 снижает температуру ее плавления, а также коэффициент поверхностного натяжения, что приводит к мелкокапельному переносу расплавленного металла и образованию валиков с мелкочешуйчатой поверхностью и плавным переходом к основному металлу или металлу предварительно наплавленных валиков. Введение в покрытие предлагаемого электродав количестве,меньшем заявленного, приводит к образованию горбатых валиков. Превышение количествасвыше предлагаемого предела способствует образованию легкоплавких шлаков,которые делают невозможным качественное формирование вертикальных и потолочных швов. Введениев предлагаемом количестве в присутствии фторида кальция вызывает образование фторидов железа, которые также обеспечивают дополнительное снижение диффузионного водорода в наплавленном металле. Введение полевого шпата в указанных границах вызывает образование достаточно плотной шлаковой корки и способствует вместе с магнезитом стабилизации дугового промежутка. Увеличение содержания полевого шпата сверх указанного предела приводит к образованию более жидкотекучих шлаков большой массы, что затрудняет сварку в пространственных положениях. Введение марганца и никеля в принятых пределах обеспечивает получение наплавленного металла, прочностные свойства которого не ниже таковых для свариваемого металла. Ферросилиций обеспечивает переход необходимого количества марганца в наплавленный металл. Но повышение его содержания выше предлагаемого предела приводит к уменьшению значения пластичности наплавленного металла, которое обусловлено твердорастворным упрочнением ферритной матрицы кремнием. Для экспериментальной проверки предлагаемого технического решения были изготовлены 5 партий электродов со стержнями из сварочной проволоки Св-08 диаметром 4 мм, состав покрытия которых приведен в табл. 1. 4 11254 1 2008.10.30 Для оценки сварочно-технологических свойств водолазом-сварщиком в лабораторном бассейне на глубине 2 м во всех пространственных положениях сваривались стыковые образцы из стали Ст 3 толщиной 14 мм. Формирование наплавленного металла оценивалось по трехбалльной системе, табл. 2, с учетом внешнего вида, отделимости шлака, характера шлаковой корки, разбрызгивания, стабильности горения и т.п. Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод, что электроды с покрытием предложенного состава обеспечивают удовлетворительное формирование многослойных швов во всех пространственных положениях. Таблица 1 Состав покрытия электродов, мас.Компоненты Флюорит Рутиловый концентрат Окись железа Магнезит Полевой шпат Марганец металлический Никелевый порошок Ферросилиций Карбоксиметилцеллюлоза Сварочно-технологические свойства электродов Покрытие Сварочнотехнологич. свойства(н), вертикальном (в) и потонвп нвп нвп нвп нв лочном (п) положениях Формирование металла швов,баллы (трехбалльная система) 3 3 3 3 3 нижнее вертикальное 2 3 3 3 2 потолочное 1 2 3 2 Для определения механических свойств металла шва при сварке стали Ст 3 были изготовлены электроды со стержнями из проволоки Св-08 на базе покрытия 3, табл. 1, в котором легирующие элементы изменялись в пределах, представленных в табл. 3. Таблица 3 Состав покрытия электродов со стержнями из проволоки Св-08 для испытания механических свойств металла шва Компоненты Базовая шихта Марганец металлический Никелевый порошок Ферросилиций Карбоксиметилцеллюлоза 11254 1 2008.10.30 Из сварных соединений, выполненных в нижнем положении, в соответствии с требованиями Спецификации по подводной сварке / 3.6 изготавливались образцы типа Ми 12, ГОСТ 6996-66. Результаты испытаний приведены в табл. 4. Их анализ свидетельствует, что электроды с покрытиями 2-4 обеспечивают высокие показатели пластических и прочностных свойств металла шва и удовлетворяют требованиям Спецификации по подводной сварке / 3.6 (12 , предел прочности металла шва выше предела прочности основного металла). Таблица 4 Механические свойства металла швов, выполненных электродами со стержнями из проволоки Св-08 Мех. свойства Покрытие металла шва Предел прочности, , МПа Предел текучести, , МПа Относительное удлинение, ,Для определения механических свойств металла шва при сварке во всех пространственных положениях использовали электроды с покрытием 3, табл. 3. Полученные результаты приведены в табл. 5. Таблица 5 Механические свойства металла швов при сварке во всех пространственных положениях Пространственное положение Нижнее Вертикальное Потолочное Таким образом, предложенный электрод позволяет получить во всех пространственных положениях качественное сварное соединение с необходимым уровнем механических свойств при сварке под водой малоуглеродистых и низколегированных сталей и может быть рекомендован для применения при ремонте подводных трубопроводов. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6