книги / Теория сварочных процессов

крахмала. Кроме того, в результате распада при нагревании гематита Fe2O3 выделяется кислород, связывающий водород в нерастворимое соединение ОН.

Рис. 2.24. Последовательность протекания металлургических процессов при сварке покрытыми электродами

Кислород также окисляет металл. Для раскисления металла в него вводят FeMn в количестве 25...30 %. Одновременно с раскислением идет процесс рафинирования марганцем, происходят ошлаковка продуктов раскисления и их вытеснение из шва.

При сварке электродами с покрытием Р газовая защита образуется из СО2 при распаде магнезита, а также клея (декстрина). Окислителями выступают СО2, рутил и полевой шпат, состоящий преимущественно из

SiO2, а раскислителем – FeSi.

Во время сварки электродами с покрытиями Ц газообразующими являются целлюлоза или мука, окислителем служит TiO2 (TiO2 = TiO +

+О), а раскислителем – FeMn.

Входе сварки электродами с покрытием Б газообразующим явля-

ется СаСО3, окислителями – СО2 и SiO2, раскислителями – FeTi и FeSi,

а рафинирующим элементом – СаО. Одновременно СаО и SiO2 создают шлак, связывающий продукты раскисления в шлаке.

Сравнение количества Н2, N2, O2 в наплавленном металле (табл. 2.9), показывает что главным критерием качества газовой защиты путем оттеснения воздуха является наличие азота в шве, содержание которого для всех электродов практически одинаково: в 5 раз больше, чем в соответствующем электродном стержне.

71

Таблица 2.9

Массовые доли газов в металле, наплавленном электродами с различными покрытиями

Однако в основном покрытии из-за наличия CaF2 и SiO2 выделяются фтор и SiF4, которые связывают водород в нерастворимое соединение HF. Благодаря этому химическому процессу содержание водорода в 7–9 раз меньше в наплавках по сравнению с другими электродами. Электроды с покрытием Б получили название «низководородистые».

Еще одно преимущество покрытия Б – малое количество окислителей, что позволяет применять его для сварки всех высоколегированных сталей, содержащих хром, титан и другие активно окисляющиеся элементы. К недостаткам этого покрытия следует отнести возможность науглероживания шва при сварке коррозионно-стойких сталей, содержащих углерод как вредную примесь на пределе его растворимости (0,02...0,03 %). Другим недостатком покрытий Б является чувствительность к влаге, ржавчине, вызывающей поры, а также непригодность к сварке переменным током из-за деионизирующего влияния фтора.

Рис. 2.25. Содержание оксидных включений в металле многослойных швов, выполненных различными способами дуговой сварки

72

Более технологичны электроды с рутиловым покрытием. Однако они ограничены по назначению: пригодны лишь для сварки низколегированных сталей, для которых временное высокое содержание водорода не опасно из-за отсутствия зон с закаленными структурами.

Электроды с целлюлозным покрытием также имеют в наплавленном металле высокий уровень водорода. Они предназначены для сварки в монтажных условиях неповоротных стыков труб из низкоуглеродистых и низколегированных сталей. Наплавленный металл соответствует типам Э42 и Э46.

Минимум включений достигнут при сварке электродами УОНИ13/55, а также при сварке в СО2 (рис. 2.25), что подтверждает перспективность последнего.

2.10.3. Металлургия сварки под флюсом

Флюсом называются гранулированные частицы диаметром от 0,3 до 3 мм, состоящие из механической смеси порошков компонентов (шлакообразующих, газообразующих, стабилизирующих, раскисляющих, легирующих), скрепленных связующим – жидким стеклом, при плавлении которых образуется сварочный шлак.

Сварочные флюсы предназначены для защиты металла от атмосферных газов; проведения реакций раскисления, модифицирования, легирования и рафинирования; обеспечения стабильного горения дуги и высококачественного формирования шва. Для выполнения этих требований флюсы должны иметь меньшую, чем у металла, температуру

плавления Тпл, хорошую отделимость шлаковой корки, образующейся после взаимодействия флюса с металлом. Флюсы состоят из различных оксидов, фторидов, хлоридов, нерастворимых в свариваемом металле. Различают кислотные, основные, нейтральные и амфотерные компонен-

ты. Последние (А12О3, Сr2О3) выступают как основные при их недостатке или как кислые при избытке в шлаке основных. К кислым относят

SiO2 (Тпл = 1983 К), TiO2 (Тш = 2123 К), Р2О5, а к основным – СаО (Тпл = = 2843 К), МnО (Тпл = 1873 К), FeO (Тпл = 1643 К), MgO, Na2O, К2O.

Нейтральные – это компоненты, не содержащие О2 (CaF2, NaCl, КС1 и др.). Кислые и основные оксиды способны образовывать комплексы (СаО·SiO2 и др.), имеющие нейтральные свойства и малую температуру плавления.

Химические свойства флюсов оценивают по степени их кислотности или основности и активности. Кислотность определяют по отноше-

нию суммарного количества кислых оксидов (МеО)к к основным

(МеО)о. Если ΣМеОк /ΣМеОо > 1, флюс считают кислым.

Составы основных и кислых флюсов приведены в табл. 2.10, а их назначения – в табл. 2.11.

73

74

76

* Флюсы иностранного производства.

Главнейший кислый оксид SiO2 и основный МnО, составляющие основу кремнемарганцовых флюсов, являются химически активными по отношению к стали в связи с развитием кремнемарганцового восстановительного процесса и окисления свариваемого металла. Для углеродистых сталей этот процесс имеет положительное значение, так как ввод марганца и кремния в каплю, а затем и в сварочную ванну препятствует выгоранию углерода и связанному с этим образованию пор по реакции

FeO + С → Fe + CO.

Для легированных сталей, содержащих легирующие элементы с большим сродством к кислороду, чем марганец и кремний, применение кремнемарганцового флюса приведет к окислению хрома, титана, ниобия и других элементов. В этом случае применимы основные флюсы, где в качестве главного компонента взят СаО, не диссоциирующий при сварочных температурах. Другие компоненты флюсов выбирают для снижения температуры плавления до значения ниже температуры плавления металла, а также для обеспечения других физических и химических свойств. Наиболее часто к СаО добавляют CaF2 (плавиковый шпат или флюорит кальция).

Псевдобинарные диаграммы плавкости некоторых флюсов (рис. 2.26) свидетельствуют о резком снижении температур плавле-

ния комплексов СаО-CaF2, СаО-А12О3, МnО-SiO2 и др. В состав флюсов

77

щитные функции и относятся к пассивным. Для сварки титана и его сплавов применяют нейтральные бескислородные флюсы, на 80 % со-

стоящие из CaF2 (см. табл. 2.10 и 2.11).

По способу изготовления флюсы классифицируют на плавленные и керамические.

Плавленные флюсы получают следующим образом: сплавляют смесь компонентов (шлако-, газообразующих, стабилизирующих и др.)

вэлектрических печах, после чего гранулируют расплав в воде. Таким образом, плавленный флюс, прошедший на этапе изготовления высокотемпературную обработку, содержит все компоненты, главным образом

ввиде оксидов и солей.

Керамические флюсы получают гранулированием смеси тонкоизмельченных компонентов с жидким стеклом без нагрева до высоких температур. Шихту тонкоизмельченных рудоминералов и ферросплавов, силикатов и других соединений замешивают на жидком стекле и гранулируют до определенной крупности. Керамические флюсы содержат компоненты не только в виде оксидов и солей, но также и в активной форме – ферросплавы, металлы.

По составу флюсы классифицируют:

на оксидные (кремнистые, марганцовистые); солевые (содержат фториды и хлориды металлов); солеоксидные (содержат оксиды и фториды).

Кроме этой простейшей классификации существуют рекомендации Международного института сварки (МИС) по типу флюсов, которые приведены в табл. 2.12

Таблица 2.12 Классификация флюсов в соответствии с документацией МИС

Особенности сварки под плавленными флюсами:

−надежная защита от воздуха;

−малые потери на угар и разбрызгивание;

−длительное время существования ванны – от 5 до 40 секунд;

79

− большая доля веса основного металла в образовании сварочной ванны по сравнению с ручной дуговой сваркой и сваркой в защитных газах.

В зависимости от типа разделки кромок доля наплавленного металла γНМе по отношению к доле основного металла γОМе может меняться. На рис. 2.27 показано соотношение долей основного и наплавленного металла для случая сварки без разделки кромок и с V-образной разделкой.

Рис. 2.27. Соотношение доли наплавленного и основного металла в сварном соединении при сварке: а – без разделки кромок; б – с V-образной разделкой

Взаимодействие металла сварочной ванны с газами при этом виде сварки сводится к окислению и взаимодействию с водородом, так как надежная защита флюсом от воздуха исключает попадание азота в зону сварки. Источниками водорода, кроме основного металла и проволоки, могут являться влага флюса, влага ржавчины, находящейся на кромках свариваемого металла. Пары воды диссоциируют с выделением молекулярного водорода, который атомизируется при высоких температурах сварки.

Ограничивают содержание водорода при сварке под флюсом обычными методами, т.е. прокалкой флюса, отжигом проволоки и связыванием во фтористый водород оксидом кальция и кремнеземом.

Прямого окисления воздухом при сварке под флюсом не наблюдается, металл шва окисляется в основном оксидами флюса, поверхностными оксидами, влагой и ржавчиной флюса.

Раскисление и легирование при сварке под флюсом осуществляется по-разному в различных сварочных зонах. В высокотемпературной зоне идет преимущественно легирование кремнием и марганцем:

2[Fe] + (SiО2) 2(FeO) + [Si], [Fe] + (MnО) (FeO) + [Mn].

В хвостовой части ванны реакции идут влево и, таким образом,

осуществляется раскисление. Чем больше соотношение SiO2 + MnO , FeO

80