книги / Теория сварочных процессов

c – доли участия соответственно основного металла, проволоки и покрытия в образовании сварочной ванны, величина их зависит от рода сварки и типа разделки кромок.

Процентное содержание элемента в металле шва определяют либо химическим анализом, либо расчетным путем.

Коэффициенты перехода зависят от состава сварочных материалов и вида сварки (табл. 2.6). Вообще, более высокий коэффициент перехода у металлов с меньшим сродством к кислороду.

Таблица 2.6

Коэффициенты перехода некоторых элементов при различных способах дуговой сварки

Повысить коэффициент перехода окисляющегося металла можно добавкой более сильного раскислителя.

При совместном легировании стали несколькими раскислителями более активный элемент будет раскислять металл, а менее активный – легировать. Например, при введении ферротитана и ферромарганца в электродное покрытие идет активное раскисление титаном и легиро-

в электродном покрытии. Титан и алюминий начинают легировать шов только при их достаточно высоком содержании. При малом содержании

61

В процессе кристаллизации металла, протекающем в интервале темпера-

тур Тл – Тс (ликвидус – солидус), эти сернистые эвтектики оттесняются рас-

прослойки могут быть еще в жидком состоянии (Тпл. эвт – температура затвердевания сернистых эвтектик; Тпл. эвт < Тс). Тогда возникновение заметных по величине растягивающих напряжений в шве (на рис. 2.22 показаны стрелками) может вызвать появление на этих участках кристаллизационных, или горячих, трещин.

Очень вредным оказывается наличие серы в легированных сталях, особенно при повышенных концентрациях в них никеля, так как при этом могут образовываться еще более легкоплавкие эвтектики на базе сульфида NiS с температурой плавления 644 °С.

Серу удаляют с помощью марганца, оксида марганца и оксида кальция.

У марганца и кальция большее сродство к сере, чем у железа, и они не образуют эвтектик.

Основные реакции рафинирования следующие:

[FeS] + [Mn] (MnS) +[Fe] – при низких температурах; [FeS] + (MnO) (MnS) + [FeO] – при высоких температурах; [FeS] + (CaO) (CaS) + [FeO] – при высоких температурах.

Сульфиды марганца и кальция, образованные в ходе этих реакций, удаляются в шлак.

Извлечение серы из металла увеличивается с повышением содержания (MnO) и (CaO) в расплавленном шлаке и с уменьшением содержания [FeO] в металле шва. Кроме того, десульфурации способствует рост температуры. Замечено также, что этот процесс ускоряет наличие кремния и алюминия в металле.

Можно отметить следующие особенности условий десульфурации

впроцессе сварки:

1)более высокая температура металла и шлака, особенно на стадии образования капель, способствует диссоциации сульфидов, ослабляет химические связи серы и облегчает удаление ее из металла в шлак;

64

2) интенсивное перемешивание металла со шлаком в каплях и в сварочной ванне увеличивает относительную массу шлака в 100– 1000 раз по сравнению с аналогичным показателем в мартеновском производстве;

3) использование специальных рафинирующих электродных покрытий или сварочных флюсов позволяет активизировать удаление серы.

Таким образом, несмотря на кратковременность взаимодействия металла со шлаком, при электродуговой сварке есть все возможности получать металл шва более чистым по содержанию серы, чем основной металл.

Фосфор образует с железом фосфиды Fe3P, Fe2P, которые вызывают хладноломкость сварных швов. Кроме того, фосфор сильно ликвирует, т.е. распределяется в металле шва неравномерно. В присутствии углерода фосфор образует эвтектики системы Fe-P-C, расположенные по границам зерен и охрупчивающих металл.

Удаление фосфора основано на его окислении и последующем связывании в комплексное соединение, переходящее в шлак:

окисление: 2[Fe3P] +5[FeO] [P2O5] + 11[Fe] + Q;

отшлаковка: [P2O5] + (CaO) (Ca(PO3)2) + Q.

Таким образом, для удаления фосфора благоприятны основные шлаки (с большим количеством FeO и СaO) и невысокая температура.

2.10. Особенности металлургических процессов при различных видах сварки

2.10.1.Металлургия сварки покрытыми электродами

Всостав электродного покрытия входят рудоминералы (оксиды, соли), органические вещества, металлы и ферросплавы. Все эти компоненты принято делить на группы по их назначению в сварочном процессе:

1. Шлакообразующие компоненты, при плавлении которых образу-

ется сварочный шлак. Это мрамор (CaCO3), магнезит (MgCo3), глинозем

(Al2O3), флюорит (CaF2), рутил (TiO2), кварц (SiO2).

2. Ионизирующие компоненты – это соединения Na2CО3, К2CO3 (поташ), BaCO3, мел. Пары этих соединений снижают сопротивление дугового промежутка, так как металлы-ионизаторы (Ca, Ba, К, Na, Ti) обладают малой работой выхода электрона с внешней оболочки.

3. Газообразующие компоненты – служат источником образования защитной атмосферы. Это мрамор, мел, декстрин, крахмал, целлюлоза.

При диссоциации этих соединений образуются газы CO2, СО, Н2, Н2О.

65

4.Раскислители, легирующие – это компоненты, удаляющие кислород из металла шва в шлаковую ванну, а также легирующие шов для придания ему определенных свойств. К ним относятся металлические порошки или порошки ферросплавов – FeMn, FeTi, FeSi, FeCr, FeW, Ni, Al, Si, графит.

5.Связующие компоненты – жидкое калиевое или натриевое стекло для создания пластичной обмазочной массы.

Как правило, большинство компонентов электродного покрытия совмещают несколько функций. Например, мрамор является шлакообразующим, насыщающим шлак оксидом CaO, и газообразующим, даю-

щим газ CO2 при диссоциации. Оксид титана, который входит в состав рутила и ильменита является шлакообразующим и стабилизирующим компонентом. Ферросплавы играют роль раскислителей при небольшом содержании, а при достаточной их концентрации – роль легирующих.

Техническим стандартом ГОСТ 9466–75 «Электроды покрытые металлические для ручной дуговой сварки сталей и наплавки» установлена

следующая классификация электродных покрытий: А – кислое, Б − основное, Р − рутиловое, Ц − целлюлозное, П − прочее (не подходит под А, Б, Р и Ц), двойное обозначение РА, РБ и т.д. − смешанное.

Металлургические процессы при сварке электродами с кислым покрытием соответствуют следующей схеме:

Высокое содержание гематита Fe2O3 в покрытиях этой группы требует значительного количества раскислителя.

Основными процессами при сварке электродами с кислым покрытием будут:

−окисление основного металла и легирующих оксидами железа Fe2O3 и FeO, а также кислородом воздуха;

−окисление марганца из ферросплава теми же компонентами, следовательно, в металл в качестве легирующего переходит немного марганца;

66

− кремниевосстановительный процесс при высоких температурах: (SiO2) + 2[Mn] → 2(MnO) + [Si].

В результате кремниевосстановительного процесса в металле шва остается от 0,07 до 0,12 % кремния;

−выгорание углерода стали;

−при низких температурах в хвостовой части сварочной ванны идет восстановление железа марганцем и кремнием с образованием неметаллических включений:

2[FeO] +[Si] → [Fe] + (SiO2), [FeO] +[Mn] → [Fe] + (MnO).

В результате протекания этих металлургических процессов металл сварного шва отличается невысоким уровнем механических свойств. Он имеет низкую ударную вязкость при охлаждении вследствие большого

количества неметаллических включений (SiO2), (MnO), (SiO2 MnO) в шве. В наплавленном металле повышено содержание кислорода до 0,10…0,15 %, однако вследствие этого содержание водорода невысоко. Кроме того, в газовой атмосфере при сварке содержится много паров MnO, т.е. у электродов с кислым покрытием плохая экология сварки. В настоящее время они практически сняты с производства.

Металлургические процессы при сварке электродами с основным покрытием соответствуют следующей схеме:

Основными процессами при сварке электродами с основным покрытием будут:

− при высоких температурах равновесие окислительно-восстанови- тельных реакции, в результате которого в расплавленном металле сосуществуют оксид железа [FeO] и металлы-раскислители [Ti], [Si], [Al], [Mn];

− при низких температурах идет раскисление титаном, кремнием, алюминием, марганцем;

67

− удаление серы.

При сварке электродами с основным покрытием металл шва имеет повышенные механические свойства по сравнению со сваркой кислыми электродами. Металл значительно пластичнее, поскольку в нем понижено содержание кислорода (0,02…0,03 %) и немного неметаллических включений.

Металлургические процессы при сварке электродами с рутиловым покрытием соответствуют следующей схеме:

Основными процессами при сварке электродами с рутиловым покрытием будут:

−окисление основного металла кислородом воздуха;

−выгорание углерода стали;

−раскисление марганцем и кремнием.

В результате протекания этих металлургических процессов металл шва имеет хорошие механические свойства. Высокая пластичность металла шва и вязкость обусловлены низким содержанием кислорода (0,04…0,07 %) и неметаллических включений. У наплавленного металла низкая склонность к пористости от ржавчины и влаги. Электроды с рутиловым покрытием имеют лучшие технологические свойства и меньшую токсичность, чем электроды с кислым покрытием.

Металлургические процессы при сварке электродами с целлюлозным покрытием соответствуют следующей схеме:

68

Основными процессами при сварке электродами с целлюлозным покрытием будут:

− разложение целлюлозы, при котором создается мощная газовая защита;

− интенсивное восстановление кремния при в высокотемпературной зоне и окисление его до (SiO2) в хвостовой части ванны;

− науглероживание металла шва угарным газом из защитной атмосферы:

{СО} + [Mn]→(MnO) +[C].

В результате окисленность металла шва невелика: [O] – 0,05…0,06 %, но пластичность и ударная вязкость при отрицательных температурах низкие ввиду загрязненности шва водородом [H] и вклю-

чениями не всплывших в шлак частиц [SiO2].

2.10.2. Газошлаковая защита металла при сварке

При сварке штучными электродами с защитно-легирующим покрытием и порошковыми самозащитными проволоками осуществляется комбинированная газовая и шлаковая защита металла шва. Для ее реализации в состав покрытия входят различные газо- и шлакообразующие компоненты. Наибольшее применение получили покрытия руднокислого (А), рутилового (Р), основного (Б) и целлюлозного типов (Ц), а также их комбинации (АР, РБ и пр.). Составы указанных покрытий приведены в табл. 2.8.

Таблица 2.8

Составы электродных покрытий, %

69

Окончание табл. 2.8

рис. 2.23. Покрытие, удаленное от оси электрода и дуги, плавится так, что образует конусную втулку, направляющую струю защитного газа и препятствующую проникновению воздуха в зону формирования капель и к сварочной ванне.

тродами с покрытием, показана на рис. 2.24. Так, при сварке электродами с покрытием А создается газовая защита из СО и Н2 при распаде

70