RU2539284C1 - Nanostructured flux cord wire for underwater welding - Google Patents

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: flux cord wire consists of a steel shell and mix material inside. On its surface the composition coating formed by copper array with distributed in it nano-size particles of activating flux containing fluoride of alkali metal is made. The mix material contains the following components in the ratio, wt %: rutile concentrate 24-38.5; silicon dioxide 1.5-6.6; hematite 2.8-16.5; iron powder 32-45; ferromanganese 5-12; nickel 1-3; carbonate of alkali metal 3-7; complex fluoride of alkali metal 2-8.

EFFECT: flux cord wire has good welding processing properties, provides atomized transfer, the stability of arch burning and allows to improve the quality of welding joints due to active metallurgical reactions on bonding of steam and hydrogen.

3 cl, 1 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к машиностроению и может быть применено при механизированной и автоматической подводной сварке и наплавке металлических деталей.The invention relates to mechanical engineering and can be applied in mechanized and automatic underwater welding and surfacing of metal parts.

Известна композиционная электродная проволока для дуговой сварки и наплавки (см. Паршин С.Г., Паршин С.С. Композиционная электродная проволока. Патент РФ №2355543 от 09.07.2007 г., опубл. 20.05.2009 г.). Композиционная проволока состоит из металлической трубки с размещенной в ее полости смесью шлакообразующих и газообразующих компонентов. На поверхность металлической трубки нанесено композиционное покрытие, состоящее из металлической матрицы и распределенной в ней дисперсной фазы из активирующего флюса.Known composite electrode wire for arc welding and surfacing (see Parshin S.G., Parshin S.S. Composite electrode wire. RF Patent No. 2355543 of July 9, 2007, published on May 20, 2009). The composite wire consists of a metal tube with a mixture of slag-forming and gas-forming components placed in its cavity. A composite coating consisting of a metal matrix and a dispersed phase of an activating flux distributed in it is applied to the surface of the metal tube.

Указанная проволока обеспечивает мелкокапельный переход электродного металла и позволяет увеличить глубину проплавления металла. Однако проволока по прототипу предназначена для сварки в среде защитного газа и не может применяться для механизированного способа мокрой подводной сварки.The specified wire provides a small drop transition of the electrode metal and allows you to increase the depth of penetration of the metal. However, the prototype wire is intended for welding in a shielding gas medium and cannot be used for the mechanized method of wet underwater welding.

Известна наноструктурированная композиционная проволока для сварки или наплавки (см. Паршин С.Г., Паршин С.С. Наноструктурированная композиционная проволока. Патент РФ №2415742 от 30.06.2009 г., опубл. 10.04.20011 г., бюл.1), содержащая металлический стержень с композиционным покрытием из металлической матрицы и равномерно распределенных по ее объему наноразмерных трубок с активирующим флюсом. Указанная наноструктурированная проволока обладает хорошими сварочно-технологическими свойствами и позволяет улучшить характеристики капельного перехода, уменьшить диаметр капель, длительность коротких замыканий, увеличить частоту капельного перехода и глубину проплавления металла.Known nanostructured composite wire for welding or surfacing (see Parshin S.G., Parshin S.S. Nanostructured composite wire. RF Patent No. 2415742 from 06/30/2009, publ. 04/10/20011, bull. 1), containing a metal rod with a composite coating of a metal matrix and nanoscale tubes with an activating flux evenly distributed over its volume. The specified nanostructured wire has good welding and technological properties and can improve the characteristics of the droplet transition, reduce the diameter of the droplets, the duration of short circuits, increase the frequency of the droplet transition and the depth of penetration of the metal.

Однако наноструктурированная проволока предназначена для сварки в среде защитного газа, не имеет шлакообразующих компонентов и не может применяться для механизированной подводной сварки мокрым способом.However, the nanostructured wire is intended for welding in a shielding gas medium, does not have slag-forming components, and cannot be used for mechanized underwater wet welding.

Известна порошковая проволока для сварки под водой при ремонте корпусов судов, восстановления трубопроводов и других гидротехнических сооружений (см. Гришанов А.А., Паньков В.И. Порошковая проволока для сварки сталей. Патент РФ №2012471, B23K 35/368 от 20.02.1992 г., опубл. 15.05.1994 г.), которая принята за прототип. Указанная проволока содержит стальную оболочку и порошкообразную шихту при следующем содержании компонентов, мас.%: рутиловый концентрат 28-35; гематит 16-25; железный порошок 30-40; двухромовокислый калий 0,5-2; марганец 5-7; силикокальций 1-2; никель 3,5-5.Known flux-cored wire for welding under water during the repair of ship hulls, restoration of pipelines and other hydraulic structures (see Grishanov A.A., Pankov V.I. Flux-cored wire for welding steels. RF patent №2012471, B23K 35/368 from 02.20. 1992, published on 05/15/1994), which is taken as a prototype. The specified wire contains a steel sheath and a powdery mixture with the following components, wt.%: Rutile concentrate 28-35; hematite 16-25; iron powder 30-40; potassium dichromate 0.5-2; manganese 5-7; silicocalcium 1-2; nickel 3.5-5.

Изобретение позволяет повысить качество сварных соединений за счет улучшения его механических свойств. Однако состав шихты по прототипу содержит повышенное количество раскислителей - марганца и силикокальция. При сварке указанные компоненты образуют мелкодисперсные оксиды марганца и кальция, которые выделяются в зоне горения дуги и формирования сварного шва. Выделение аэрозолей вызывает помутнение воды в зоне проведения сварочных работ, и сварщик под водой не может осуществлять визуальный контроль за плавлением металла и формированием сварного шва. Кроме того, при сварке указанной проволокой выделяются токсичные оксиды марганца и оксиды хрома, которые вредят экологии водной среды.The invention improves the quality of welded joints by improving its mechanical properties. However, the composition of the charge according to the prototype contains an increased amount of deoxidizing agents - manganese and silicocalcium. When welding, these components form finely dispersed oxides of manganese and calcium, which are released in the zone of arc burning and the formation of the weld. The release of aerosols causes turbidity of the water in the welding zone, and the welder under water cannot visually monitor the melting of the metal and the formation of the weld. In addition, when welding with the indicated wire, toxic manganese oxides and chromium oxides are released, which harm the ecology of the aquatic environment.

Другим существенным недостатком прототипа является повышенное поверхностное натяжение шлаковой системы, которое не позволяет установить мелкокапельный и струйный переход электродного металла при расплавлении стальной оболочки. При подводной сварке плавление порошковой проволоки происходит неравномерно с образованием крупнокапельного перехода с низкой частотой коротких замыканий около 3,5-13 Гц при длительности коротких замыканий около 0,004-0,02 с (см. Лебедев В.К., Проскудин В.П. Влияние характеристик источника питания на процесс сварки порошковой проволокой под водой // Автоматическая сварка, 1989. - №1. - С.1-5).Another significant disadvantage of the prototype is the increased surface tension of the slag system, which does not allow to establish a small droplet and jet transition of the electrode metal during melting of the steel shell. In underwater welding, cored wire melting occurs non-uniformly with the formation of a large drop transition with a low frequency of short circuits of about 3.5-13 Hz with a duration of short circuits of about 0.004-0.02 s (see Lebedev V.K., Proskudin V.P. Influence characteristics of the power source for the process of welding with cored wire under water // Automatic welding, 1989. - No. 1. - C.1-5).

Крупнокапельный переход приводит к неравномерному плавлению порошковой проволоки, в результате чего тонкая стальная оболочка расплавляется быстрее, чем флюсовый сердечник. Это приводит к выпадению флюсового сердечника и удлинению дуги. В результате этого увеличивается напряжение дуги и уменьшается величина сварочного тока, что приводит к уменьшению глубины проплавления металла. Увеличение длины дуги вызывает уменьшение парциального давления смеси газов в парогазовом пузыре, что нарушает оттеснение воды из зоны сварки и газошлаковую защиту сварочной ванны.A large-drop transition leads to uneven melting of the flux-cored wire, as a result of which the thin steel shell melts faster than the flux core. This leads to prolapse of the flux core and lengthening of the arc. As a result of this, the arc voltage increases and the value of the welding current decreases, which leads to a decrease in the penetration depth of the metal. An increase in the arc length causes a decrease in the partial pressure of the gas mixture in the gas-vapor bubble, which violates the displacement of water from the weld zone and the gas-slag protection of the weld pool.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является улучшение сварочно-технологических свойств порошковой проволоки и качества сварных соединений за счет изменения конструкции порошковой проволоки и химического состава шихты.The technical result of the invention is to improve the welding and technological properties of cored wire and the quality of welded joints by changing the design of cored wire and the chemical composition of the charge.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что порошковую проволоку изготавливают из стальной оболочки, внутри которой размещают порошкообразную шихту. В отличие от прототипа, на поверхности порошковой проволоки размещают нанокомпозиционное покрытие, состоящее из смеси металлической матрицы и наноразмерных частиц, а состав шихты имеет следующее содержание компонентов, мас.%: рутиловый концентрат 24-38,5; двуокись кремния 1,5-6,6; гематит 2,8-16,5; железный порошок 32-45; ферромарганец 5-12; никель 1-3; карбонат щелочного металла 3-7; комплексный фторид щелочного металла 2-8.The essence of the invention lies in the fact that the flux-cored wire is made of a steel sheath, inside which a powdery charge is placed. Unlike the prototype, a nanocomposite coating consisting of a mixture of a metal matrix and nanosized particles is placed on the surface of the cored wire, and the composition of the charge has the following content of components, wt.%: Rutile concentrate 24-38.5; silicon dioxide 1.5-6.6; hematite 2.8-16.5; iron powder 32-45; ferromanganese 5-12; nickel 1-3; alkali metal carbonate 3-7; complex alkali metal fluoride 2-8.

Такое сочетание известных и новых признаков позволяет улучшить сварочно-технологические свойства порошковой проволоки и качество сварных соединений при подводной сварке металлических изделий. Это становится возможным, поскольку порошковая проволока имеет нанокомпозиционное покрытие, содержащее наноразмерные частицы активирующего флюса. Расплавление стальной оболочки с композиционным покрытием из активирующего флюса требует увеличения энергетических затрат, поскольку частицы активирующего флюса состоят из галогенидных солей и оксидов с низкой энтальпией и высокой энергией диссоциации. Поэтому скорость плавления стальной оболочки уменьшается, что приводит к уменьшению длины дуги, погружению дуги в сварочную ванну, сокращению объема парогазового пузыря и увеличению парциального давления смеси газов в парогазовом пузыре. Это благоприятствует увеличению глубины проплавления металла и улучшает защиту сварочной ванны от проникновения воды. При расплавлении нанокомпозиционного покрытия на поверхности стальной оболочки образуется шлаковая пленка, которая снижает межфазное натяжение расплавленных капель стальной оболочки и приводит к образованию мелкокапельного перехода повышенной частоты.This combination of well-known and new features allows to improve the welding and technological properties of cored wire and the quality of welded joints during underwater welding of metal products. This becomes possible because the flux-cored wire has a nanocomposite coating containing nanosized particles of an activating flux. The melting of a steel shell with a composite coating of an activating flux requires an increase in energy costs, since the particles of the activating flux are composed of halide salts and oxides with low enthalpy and high dissociation energy. Therefore, the melting rate of the steel shell decreases, which leads to a decrease in the length of the arc, immersion of the arc in the weld pool, a decrease in the volume of the vapor-gas bubble and an increase in the partial pressure of the gas mixture in the vapor-gas bubble. This favors an increase in the penetration depth of the metal and improves the protection of the weld pool from water penetration. When the nanocomposite coating is melted, a slag film is formed on the surface of the steel shell, which reduces the interfacial tension of the molten drops of the steel shell and leads to the formation of a droplet transition of increased frequency.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется фиг.1, где показан вид порошковой проволоки с нанокомпозиционным покрытием. Предлагаемая проволока состоит из стальной оболочки 1, на которой располагается нанокомпозиционное покрытие 2, состоящее из металлической матрицы 3 с равномерно распределенными по объему матрицы наноразмерными частицами активирующего флюса 4. Внутренняя полость стальной оболочки заполнена порошкообразной шихтой 5.The present invention is illustrated in figure 1, which shows a view of a cored wire with a nanocomposite coating. The proposed wire consists of a steel shell 1, on which there is a nanocomposite coating 2, consisting of a metal matrix 3 with nanosized particles of activating flux evenly distributed over the matrix’s volume 4. The inner cavity of the steel shell is filled with a powder charge 5.

Цель изобретения достигается тем, что на поверхность порошковой проволоки электролитическим способом наносят нанокомпозиционное покрытие, состоящее из смеси металла (металлической матрицы) и активирующего флюса (нанодисперсной фазы). Данное покрытие обеспечивает хороший электрический контакт проволоки с токоподводящим мундштуком горелки и эффективное воздействие на дугу активирующих компонентов покрытия, которые контрагируют дугу и увеличивают ее проплавляющую способность (Симоник А.Г., Петиашвили В.И., Иванов А.А. Эффект контракции дугового разряда при введении электроотрицательных элементов // Сварочное производство, 1976, №3, с.49). При плавлении покрытия образуется шлаковая пленка, которая снижает межфазное натяжение металла. Это уменьшает диаметр и массу капель, что улучшает капельный переход электродного металла в сварочную ванну.The purpose of the invention is achieved in that a nanocomposite coating consisting of a mixture of a metal (metal matrix) and an activating flux (nanodispersed phase) is electrolytically applied to the surface of the cored wire. This coating provides a good electrical contact of the wire with the torch’s current mouthpiece and an effective effect on the arc of the activating components of the coating, which counteract the arc and increase its penetrating ability (Simonik A.G., Petiashvili V.I., Ivanov A.A. Effect of contraction of the arc discharge with the introduction of electronegative elements // Welding production, 1976, No. 3, p. 49). When the coating melts, a slag film forms, which reduces the interfacial tension of the metal. This reduces the diameter and mass of the droplets, which improves the drip transition of the electrode metal into the weld pool.

Технология изготовления предлагаемой проволоки не требует сложного оборудования и может быть выполнена известным в промышленности способом (см. Сайфуллин Р.С. Композиционные электрохимические покрытия и материалы. М., Химия, 1972 г., 168 с.). Очищенную порошковую проволоку погружают в электролитическую ванну, которая содержит взвешенные в электролите коллоидные частицы активирующего флюса в нужной концентрации. В зависимости от состава флюса и металлической матрицы для нанесения покрытий применяют сульфатный, солевой, цианидный или фосфатный электролиты. Порошковую проволоку подключают к отрицательному полюсу источника питания. При действии поляризационных сил на поверхности порошковой проволоки осаждаются наноразмерные частицы активирующего флюса и одновременно положительные ионы восстановленного из электролита металла. Для равномерного распределения частиц в объеме электролита ванну продувают аргоном. В результате на проволоке образуется нанокомпозиционное покрытие толщиной 2-15 мкм с равномерно распределенными по объему матрицы наноразмерными частицами активирующего флюса. После нанесения покрытий порошковая проволока сушится и сматывается в бухты для применения при механизированной или автоматической сварке.The manufacturing technology of the proposed wire does not require complex equipment and can be performed by a method known in the industry (see Sayfullin RS Composite electrochemical coatings and materials. M., Chemistry, 1972, 168 pp.). The cleaned flux-cored wire is immersed in an electrolytic bath, which contains the colloidal particles of the activating flux suspended in the electrolyte in the desired concentration. Depending on the composition of the flux and the metal matrix, sulfate, salt, cyanide or phosphate electrolytes are used for coating. The flux-cored wire is connected to the negative pole of the power source. Under the action of polarizing forces, nanosized particles of an activating flux and simultaneously positive ions of a metal recovered from an electrolyte are deposited on the surface of a cored wire. For uniform distribution of particles in the volume of the electrolyte, the bath is purged with argon. As a result, a nanocomposite coating with a thickness of 2-15 μm is formed on the wire with nanoscale particles of an activating flux uniformly distributed over the matrix volume. After coating, the flux-cored wire is dried and wound into coils for use in mechanized or automatic welding.

Состав шихты имеет рудно-кислую шлаковую систему, которая имеет низкую влагопроницаемость (см. Петров Г.Л. Сварочные материалы. М.: Машиностроение, 1972 г. - 280 с.). Основа рудно-кислого шлака состоит из рутила TiO₂ с плотностью 4,2 г/см³, двуокиси кремния SiO₂ с плотностью 2,6 г/см³, гематита Fe₂O₃ с плотностью 5,24 г/см³, поэтому имеет стекловидное плотное строение с пониженной вязкостью и поверхностным натяжением.The composition of the charge has an ore-acid slag system, which has low moisture permeability (see Petrov GL. Welding materials. M.: Mechanical Engineering, 1972 - 280 S.). The basis of ore-acid slag consists of rutile TiO ₂ with a density of 4.2 g / cm ³ , silicon dioxide SiO ₂ with a density of 2.6 g / cm ³ , hematite Fe ₂ O ₃ with a density of 5.24 g / cm ³ , therefore It has a glassy dense structure with reduced viscosity and surface tension.

Это позволяет шлаку в расплавленном состоянии закрывать поверхность сварочной ванны и препятствовать проникновению воды и водорода в металл сварного шва, что улучшает формирование шва и снижает образование дефектов в наплавленном металле. Смачиванию сварочной ванны при высоких скоростях охлаждения под водой способствует низкая вязкость кислого шлака системы TiO₂-SiO₂ около 0,3 Нс/м², которая дополнительно уменьшается за счет введения комплексного фторида щелочного металла.This allows the slag in the molten state to close the surface of the weld pool and prevent the penetration of water and hydrogen into the weld metal, which improves the formation of the weld and reduces the formation of defects in the weld metal. Wetting of the weld pool at high cooling rates under water is facilitated by the low viscosity of the acidic slag of the TiO ₂ -SiO _{2 system of} about 0.3 Ns / m ² , which is further reduced by the introduction of complex alkali metal fluoride.

Оптимальное содержание рутилового концентрата в шихте составляет, мас.%: 24-38,5, двуокиси кремния 1,5-6,6, гематита 2,8-16,5. Указанное соотношение шлакообразующих компонентов выбрано из условия достижения минимальной вязкости и поверхностного натяжения системы TiO₂-SiO₂ (см. Атлас шлаков. Пер. с нем. Металлургия, 1985 г., 208 с.) в целях улучшения капельного перехода и формирования сварного шва под водой. Кроме того, указанное соотношение TiO₂-SiO₂ обеспечивает однородность шлака, снижает вероятность его расслаивания (см. Торопов Н.А., Барзаковский В.П. Диаграммы состояния силикатных систем. Л.: Наука, 1969. - 822 с.), а также имеет минимальную температуру плавления (см. Подгаецкий В.В., Кузьменко В.Г. Сварочные шлаки. Киев, Наукова Думка. - 1988. - 256 с.)The optimal content of rutile concentrate in the mixture is, wt.%: 24-38.5, silicon dioxide 1.5-6.6, hematite 2.8-16.5. The specified ratio of slag-forming components is selected from the condition of achieving the minimum viscosity and surface tension of the TiO ₂ -SiO _{2 system} (see Atlas of slags. Transl. From German Metallurgy, 1985, 208 pp.) In order to improve the drip transition and the formation of a weld under water. In addition, the specified ratio of TiO ₂ -SiO ₂ ensures the uniformity of the slag, reduces the likelihood of delamination (see Toropov N.A., Barzakovsky V.P. State diagrams of silicate systems. L .: Nauka, 1969. - 822 S.), and also has a minimum melting temperature (see Podgaetsky V.V., Kuzmenko V.G. Welding slags. Kiev, Naukova Dumka. - 1988. - 256 p.)

При уменьшении содержания шлакообразующих компонентов ниже оптимального значения объем образующегося шлака является недостаточным для защиты сварочной ванны от проникновения воды, водорода и кислорода, что ухудшает формирование и качество сварного шва. При увеличении содержания шлакообразующих компонентов выше оптимального значения уменьшаются коэффициент наплавки и эффективность тепловложения, что снижает производительность процесса сварки.If the content of slag-forming components is reduced below the optimum value, the volume of slag formed is insufficient to protect the weld pool from the ingress of water, hydrogen and oxygen, which affects the formation and quality of the weld. With an increase in the content of slag-forming components above the optimum value, the deposition coefficient and heat input efficiency decrease, which reduces the productivity of the welding process.

Введение в состав шихты железного порошка способствует увеличению коэффициента наплавки и эффективности тепловложения, что увеличивает глубину проплавления и производительность процесса сварки. Оптимальное содержание железного порошка в шихте составляет, мас.%: 32-45. При уменьшении содержания железного порошка ниже оптимального значения снижаются коэффициент наплавки и эффективность тепловложения, что вызывает уменьшение глубины проплавления и производительности процесса сварки. При увеличении содержания железного порошка выше оптимального значения ухудшается шлаковая защита сварочной ванны, что ухудшает формирование шва, плотность наплавленного металла и сварочно-технологические свойства порошковой проволоки.The introduction of iron powder into the mixture contributes to an increase in the deposition coefficient and heat input efficiency, which increases the penetration depth and productivity of the welding process. The optimal content of iron powder in the mixture is, wt.%: 32-45. When the content of iron powder decreases below the optimum value, the deposition coefficient and heat input efficiency decrease, which causes a decrease in the penetration depth and productivity of the welding process. With an increase in the iron powder content above the optimum value, the slag protection of the weld pool deteriorates, which affects the formation of the weld, the density of the weld metal and the welding and technological properties of the flux-cored wire.

Введение в состав шихты ферромарганца при оптимальном содержании, мас.%: 5-12, способствует восстановлению железа через металлургические реакции раскисления оксидов железа, связыванию загрязнений в виде серы в тугоплавкие сульфиды марганца MnS. Это улучшает плотность наплавленного металла шва и его механические характеристики. При уменьшении содержания ферромарганца ниже оптимального значения ухудшаются механические характеристики сварного шва, а при увеличении содержания ферромарганца выше оптимального значения снижается прозрачность водной среды из-за роста количества выбросов аэрозолей.The introduction of ferromanganese into the mixture at the optimum content, wt.%: 5-12, contributes to the reduction of iron through metallurgical reactions of oxidation of iron oxides, the binding of sulfur contaminants to refractory manganese sulfides MnS. This improves the density of the weld metal and its mechanical characteristics. If the ferromanganese content decreases below the optimum value, the mechanical characteristics of the weld deteriorate, and when the ferromanganese content increases above the optimum value, the transparency of the aqueous medium decreases due to an increase in the number of aerosol emissions.

Введение в состав шихты никеля при оптимальном содержании, мас.%: 1-3, улучшает механические характеристики сварного шва, способствует увеличению пластичности шва и росту коэффициента наплавки. При уменьшении содержания никеля ниже оптимального значения отсутствует эффект улучшения пластичности металла шва, а при увеличении содержания никеля выше оптимального значения ухудшаются формирование шва и плотность наплавленного металла.The introduction of the mixture of Nickel at the optimum content, wt.%: 1-3, improves the mechanical characteristics of the weld, increases the ductility of the weld and the growth of the deposition coefficient. With a decrease in the nickel content below the optimum value, there is no effect of improving the ductility of the weld metal, and with an increase in nickel content above the optimum value, the formation of the weld and the density of the weld metal deteriorate.

Введение в состав шихты карбоната щелочного металла, например Li₂CO₃, при оптимальном содержании, мас. %: 3-7, способствует улучшению стабильности горения дуги за счет увеличения степени ионизации плазмы и увеличения парциального давления углекислого газа в парогазовом пузыре, что снижает концентрацию воды и водорода над сварочной ванной. Аналогичным влиянием обладают углекислые соли калия K₂CO₃ и натрия Na₂CO₃. При уменьшении содержания углекислой соли щелочного металла снижаются стабильность горения дуги, а при увеличении содержания снижется эффективность тепловложения и коэффициент наплавки.Introduction to the composition of the charge of an alkali metal carbonate, for example Li ₂ CO ₃ , at the optimum content, wt. %: 3-7, improves the stability of arc burning by increasing the degree of plasma ionization and increasing the partial pressure of carbon dioxide in a gas-vapor bubble, which reduces the concentration of water and hydrogen above the weld pool. A similar effect is exerted by the carbonic salts of potassium K ₂ CO ₃ and sodium Na ₂ CO ₃ . With a decrease in the content of alkali metal carbonate, the stability of arc burning decreases, and with an increase in the content, the heat input efficiency and the deposition coefficient decrease.

Введение в состав шихты комплексного фторида щелочного металла, например гексафторалюмината натрия Na₃AlF₆ с низким поверхностным натяжением - около 130 мДж/м², обеспечивает мелкокапельный перенос металла. Это эффект возникает в результате частичной диссоциации соединения по реакции: Na₃AlF₆=2NaF+NaAlF₄. Тетрафторалюминат натрия NaAlF₄ имеет низкую температуру плавления и низкое поверхностное натяжение - около 86,6 мДж/м², концентрируется в поверхностном слое шлака и способствует уменьшению межфазного натяжения расплавленного металла (см. Лепинских Б.М., Манаков А.И. Физическая химия оксидных и оксифторидных расплавов. М.: Наука, 1977. - 192 с.). В результате этого снижается диаметр капель и увеличивается частота капельного перехода.The introduction of a mixture of complex alkali metal fluoride, such as sodium hexafluoroaluminate Na ₃ AlF ₆ with a low surface tension of about 130 mJ / m ² , provides a small drop transfer of metal. This effect occurs as a result of partial dissociation of the compound by the reaction: Na ₃ AlF ₆ = 2NaF + NaAlF ₄ . Sodium tetrafluoroaluminate NaAlF ₄ has a low melting point and low surface tension of about 86.6 mJ / m ² , it is concentrated in the surface slag layer and helps to reduce the interfacial tension of the molten metal (see Lepinsky B.M., Manakov A.I. Physical chemistry oxide and oxyfluoride melts. M: Nauka, 1977. - 192 p.). As a result, the diameter of the droplets decreases and the frequency of the droplet transition increases.

В результате разложения и испарения Na₃AlF₆ вокруг сварочной дуги образуются газообразные соединения NaF, AlF₃, AlF₂, AlF, которые изменяют химический состав атмосферы парогазового пузыря, образующегося при разложении воды сварочной дугой. Давление газообразных фторидов в парогазовом пузыре увеличивается с ростом концентрации AlF₃, который обладает наиболее высокой упругостью пара. Насыщению парогазового пузыря фторидами способствуют реакции соединений NaF, AlF₃, AlF₂, AlF с двуокисью титана TiO₂. При этом образуются фториды титана TiF₄, TiF₃, TiF₂, которые имеют высокую химическую активность в реакциях по связыванию водорода. Аналогичное действие оказывает введение в состав шихты гексафторалюмината лития Li₃AlF₆, который при сварке диссоциирует на соединения LiF, AlF₃, AlF₂, AlF, а также гексафторалюмината калия K₂AlF₆, который сварке диссоциирует на соединения KF, AlF₃, AlF₂, AlF. Аналогичное влияние по связыванию воды и водорода оказывают гексафтортитанаты Na₂TiF₆ Li₂TiF₆, K₂TiF₆, гексафторсиликаты Na₂SiF₆ Li₂SiF₆, K₂SiF₆, гексафторцирконаты Na₂ZrF₆ Li₂ZrF₆, K₂ZrF₆.As a result of the decomposition and evaporation of Na ₃ AlF ₆ , gaseous compounds of NaF, AlF ₃ , AlF ₂ , AlF are formed around the welding arc, which change the chemical composition of the atmosphere of the vapor-gas bubble formed during the decomposition of water by the welding arc. The pressure of gaseous fluorides in a vapor-gas bubble increases with increasing concentration of AlF ₃ , which has the highest vapor pressure. The saturation of a vapor-gas bubble with fluorides is facilitated by the reactions of compounds NaF, AlF ₃ , AlF ₂ , AlF with titanium dioxide TiO ₂ . In this case, titanium fluorides TiF ₄ , TiF ₃ , TiF _{2 are formed} , which have high chemical activity in hydrogen bonding reactions. A similar effect is exerted by introducing lithium hexafluoroaluminate Li ₃ AlF _{6 into the} mixture, which during welding dissociates into LiF, AlF ₃ , AlF ₂ , AlF compounds, as well as potassium hexafluoroaluminate K ₂ AlF ₆ , which dissociates into KF, AlF ₃ , AlF compounds when welding ₂ , AlF. A similar effect on the binding of water and hydrogen is exerted by Na ₂ TiF ₆ Li ₂ TiF ₆ , K ₂ TiF ₆ hexafluorotitanates, Na ₂ SiF ₆ Li ₂ SiF ₆ hexafluorosilicates, K ₂ SiF ₆ , Na ₂ ZrF ₆ Li ₂ ZrF ₆ , K ₂ hexafluorozirconates ZrF ₆ .

Увеличение концентрации активного фтора в атмосфере газового пузыря позволяет эффективно связывать воду, молекулы и атомы водорода в нерастворимые в сварочной ванне газообразные соединения фтористого водорода HF.An increase in the concentration of active fluorine in the atmosphere of a gas bubble makes it possible to efficiently bind water, molecules and hydrogen atoms into gaseous compounds of hydrogen fluoride HF insoluble in the weld pool.

Оптимальное содержание комплексного фторида щелочного металла составляет, мас.%: 2-8. При уменьшении содержания комплексного фторида щелочного металла ниже оптимального значения ухудшаются процесс расплавления порошковой проволоки и капельный переход, а также способность шихты к активному связыванию воды и водорода, что приводит к появлению дефектов в наплавленном металле шва. При увеличении содержания комплексного фторида щелочного металла выше оптимального значения ухудшаются стабильность горения дуги, шлаковая защита сварочной ванны, формирование шва и плотность наплавленного металла.The optimal content of complex alkali metal fluoride is, wt.%: 2-8. With a decrease in the content of complex alkali metal fluoride below the optimal value, the process of flux-cored wire melting and droplet transition, as well as the ability of the charge to actively bind water and hydrogen, worsen the appearance of defects in the weld metal deposited. With an increase in the content of complex alkali metal fluoride above the optimum value, the stability of arc burning, the slag protection of the weld pool, the formation of the seam and the density of the deposited metal are deteriorated.

В качестве примера применения предлагаемой проволоки рассматривается механизированная дуговая сварка образцов из низкоуглеродистой стали размером 300×200 мм и толщиной 10 мм. Особо мягкую стальную ленту толщиной 0,2 мм, шириной 10 мм из стали 08кп помещали в прокатный стан, в котором формовали стальную оболочку диаметром 4,5 мм. Одновременно с формовкой внутрь стальной оболочки засыпали тонкоизмельченную шихту следующего состава, мас.%: рутиловый концентрат 30; двуокись кремния 3; гематит 12; железный порошок 35; ферромарганец 5; никель 3; углекислый литий 5; гексафторалюминат натрия 7. Затем проволоку методом последовательного волочения уменьшали до диаметра 1,6 мм. После обезжиривания проволоку пропускали через коллоидный раствор медьсодержащего электролита с частицами NaF размером менее 1000 нм. В результате получили порошковую проволоку с нанокомпозиционным покрытием толщиной 10 мкм.As an example of the application of the proposed wire, mechanized arc welding of samples of low-carbon steel with a size of 300 × 200 mm and a thickness of 10 mm is considered. A particularly soft steel strip 0.2 mm thick, 10 mm wide made of 08kp steel was placed in a rolling mill, in which a steel sheath with a diameter of 4.5 mm was formed. At the same time as molding, a finely ground mixture of the following composition was filled into the steel shell, wt.%: Rutile concentrate 30; silicon dioxide 3; hematite 12; iron powder 35; ferromanganese 5; nickel 3; lithium carbonate 5; sodium hexafluoroaluminate 7. Then, the wire was reduced by a method of successive drawing to a diameter of 1.6 mm. After degreasing, the wire was passed through a colloidal solution of a copper-containing electrolyte with NaF particles less than 1000 nm in size. As a result, a flux-cored wire with a nanocomposite coating with a thickness of 10 μm was obtained.

Полученную порошковую проволоку с нанокомпозиционным покрытием использовали при механизированной дуговой сварке с применением источника питания «Магма-315У» с погружением на глубину 14 м в акватории Балтийского моря. Стыковое соединение пластин имело два симметричных скоса кромок с двух сторон, обозначение сварного соединения С25 по ГОСТ 14771-76. Заполнение разделки шва осуществляли за два прохода с каждой стороны при напряжении дуги 32-36 В при силе сварочного тока 230-270 А. Исследования капельного перехода произвели по осциллограммам напряжения е дуги и силы сварочного тока, которые измеряли с помощью компьютерного комплекса и программы «Diadem 10.1» с частотой 20000 Гц.The resulting flux-cored wire with a nanocomposite coating was used in mechanized arc welding using a Magma-315U power source with immersion to a depth of 14 m in the Baltic Sea. The butt joint of the plates had two symmetrical bevel edges on both sides, the designation of the welded joint C25 according to GOST 14771-76. Filling the weld was carried out in two passes on each side with an arc voltage of 32-36 V and a welding current of 230-270 A. Drip transition studies were performed using waveforms of the arc voltage e and the welding current strength, which were measured using a computer complex and Diadem software 10.1 "with a frequency of 20,000 Hz.

Характеристики капельного перехода при подводной сварке с наноструктурированной порошковой проволокойDrip transition characteristics for underwater welding with nanostructured flux-cored wire Тип порошковой проволокиType of cored wire Частота коротких замыканий, ГцFrequency of short circuits, Hz Длительность коротких замыканий, сShort circuit duration, s Время паузы между КЗ, сPause time between short circuit, s Без покрытияWithout cover 7-107-10 0,005-0,06250.005-0.0625 0,05-0,130.05-0.13 С покрытием Cu + NaFCu + NaF Coated 16-2116-21 0,0007-0,00280.0007-0.0028 0,034-0,090,034-0,09

Порошковая проволока с шихтой указанного состава имела стабильное горение дуги, устойчивый мелкокапельный перенос, обеспечивала мелкочешуйчатое плавное формирование сварных валиков, хорошую шлаковую защиту сварочной ванны.The flux-cored wire with a charge of the indicated composition had stable arc burning, stable small-droplet transfer, ensured fine-scale smooth formation of welded beads, good slag protection of the weld pool.

Таким образом, предлагаемая порошковая проволока обеспечивает технический эффект, который выражается в улучшении капельного перехода, стабильности горения дуги и формирования сварного шва при подводной сварке, может быть изготовлена и применена с использованием известных в технике средств, следовательно, она обладает промышленной применимостью.Thus, the proposed flux-cored wire provides a technical effect, which is expressed in the improvement of the drip transition, the stability of the arc burning and the formation of the weld during underwater welding, can be manufactured and applied using methods known in the art, therefore, it has industrial applicability.

Claims (3)

1. Порошковая проволока для подводной сварки, состоящая из стальной оболочки и размещенной внутри нее шихты, содержащей рутиловый концентрат, гематит, железный порошок, ферромарганец, никель, отличающаяся тем, что на ее поверхности размещено композиционное покрытие в виде медной матрицы с распределенными в ней наноразмерными частицами активирующего флюса, содержащего фторид щелочного металла, при этом шихта дополнительно содержит двуокись кремния, карбонат щелочного металла и комплексный фторид щелочного металла при следующем содержании компонентов, мас.%:
рутиловый концентрат 24-38,5 двуокись кремния 1,5-6,6 гематит 2,8-16,5 железный порошок 32-45 ферромарганец 5-12 никель 1-3 карбонат щелочного металла 3-7 комплексный фторид щелочного металла 2-8 1. A flux-cored wire for underwater welding, consisting of a steel sheath and a charge placed inside it, containing rutile concentrate, hematite, iron powder, ferromanganese, nickel, characterized in that a composite matrix-shaped coating is placed on its surface with a nanoparticle distributed in it particles of an activating flux containing alkali metal fluoride, and the mixture further comprises silicon dioxide, alkali metal carbonate and complex alkali metal fluoride in the following containing research component, wt.%:
rutile concentrate 24-38.5 silica 1,5-6,6 hematite 2.8-16.5 iron powder 32-45 ferromanganese 5-12 nickel 1-3 alkali metal carbonate 3-7 complex alkali metal fluoride 2-8 2. Порошковая проволока по п.1, отличающаяся тем, что в качестве карбоната щелочного металла шихта содержит соединение или смесь соединений, выбранных из группы карбонатов лития, калия, натрия.2. The flux cored wire according to claim 1, characterized in that, as an alkali metal carbonate, the mixture contains a compound or mixture of compounds selected from the group of lithium, potassium, sodium carbonates. 3. Порошковая проволока по п.1 или 2, отличающаяся тем, что в качестве комплексного фторида щелочного металла шихта содержит соединение или смесь соединений, выбранных из группы гексафторалюминатов, гексафтортитанатов, гексафторсиликатов, гексафторцирконатов щелочных металлов. 3. The flux cored wire according to claim 1 or 2, characterized in that, as a complex alkali metal fluoride, the mixture contains a compound or mixture of compounds selected from the group of hexafluoroaluminates, hexafluorotitanates, hexafluorosilicates, alkali metal hexafluorozirconates.