МЕЖДУНАРОДНЫЙ ИНЖЕНЕР-СВАРЩИК

Присадочные материалы и флюсы

Электродная проволока. Правильный выбор марки электродной проволоки для свар­ки - один из главных эпементов разработки технопогии механизированной сварки под фпю - сом. Химический состав электродной проволоки определяет состав металла шва и, следо­вательно, его механические свойства.

Для сварки сталей предназначена проволока по ГОСТ 2246—70 «Проволока стальная сварочная». В соответствии с этим ГОСТом выпускают низкоуглеродистую, легированную и высоколегированную проволоку диаметром 0,3; 0,5; 0.8; 1,0; 1,2; 1,4; 1,6; 2.0; 2,5; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0; 8.0; 10,0; 12,0 мм. Проволока поставляется в бухтах массой до 80 кг. На каждой бух­те крепят металлическую бирку с указанием завода-изготовителя, условного обозначения проволоки, номера партии и клейма технического контроля. По соглашению сторон проволо­ку могут поставлять намотанной на катушки или кассеты. Транспортировать и хранить про­волоку следует в условиях, исключающих ее ржавление, загрязнение и механическое по- вреяодение.

Если же поверхность проволоки загрязнена или покрыта ржавчиной, то перед употреб­лением ее необходимо очистить. Проволоку очищают при намотке ее на кассеты в специ­альных станках, испопьзуя наждачные круги. Для удаления масел используют керосин, уайт - спирит, бензин и др. Для устранения влаги применяют термическую обработку; прокалку при температуре 100 - 150 °С. ЦНИИТМАШ рекомендует обрабатывать проволоку в 20%-ном растворе серной кислоты с последующей прокалкой при температуре 250 °С 2 - 2,5 ч. Необ­ходимость в обработке эпектродной проволоки перед сваркой отпадает, если использовать омедненную проволоку. Для механизированной сварки под флюсом и по флюсу алюминия и его сплавов используют сварочную проволоку, выпускаемую по ГОСТ 7871-75 «Проволока сварочная из алюминия и алюминиевых сплавов». ГОСТ 16130-72 «Провопока и прутки из меди и сплавов на медной основе сварочные» предъявляет требования к проволоке для сварки меди и ее сплавов. Подготовка этих проволок к сварке во многом определяет качест­во сварного соединения. Как правило, подготовка этих проволок к сварке такая же, как и ос­новного металла. Наилучшие результаты обеспечивает химическая обработка ипи электро­литическое полирование.

Сварочные флюсы. Сварочный флюс - один из важнейших элементов, определяю­щих качество металла шва и условия протекания процесса сварки. От состава флюса зави­сят составы жидкого шлака и газовой атмосферы. Взаимодействие шлака с металлом обу­словливает определенный химический состав металла шва. От состава металла шва зави­сят его структура, стойкость против образования трещин. Состав газовой атмосферы обу­словливает устойчивость горения дуги, стойкость против появления пор и количество выде­ляемых при сварке вредных газов.

Функции флюсов. Флюсы выполняют следующие функции; физическую изоляцию сва­рочной ванны от атмосферы, стабилизацию дугового разряда, химическое взаимодействие с жидким металлом, легирование металла шва. формирование поверхности шва.

Лучшая изопирующая способность - у флюсов с плотным строением частиц мелкой грануляции. Однако при плотной укладке частиц флюса ухудшается формирование поверх ности шва. Достаточно эффективная защита сварочной ванны от атмосферного воздейст­вия обеспечивается при определенной толщине слоя флюса.

Необходимая высота слоя флюса сварки низкоуглеродистых и низколегированных сталей на различных режимах следующая:

В состав флюса вводят элементы-стабилизаторы, повышающие стабильность горения дуги. Введение этих элементов позволяет применять переменный ток для сварки, более широко варьировать режимы сварки.

Химический состав металла шва формируется за счет основного и электродного ме­таллов. Однако состав флюса может привести к заметным изменениям химического состава металла шва. Эти изменения возможны, как. правило, только в пределах допей процента, Для легирования металла шва применяют керамические флюсы.

Формирующая способность флюсов опредепяется вязкостью шлака, характером ее за­висимости от температуры, межфазным натяжением на границе металл — шлак и т. п. Фор­мирующая способность в значительной степени зависит от мощности дуги. При сварке мощ­ной дугой (ток свыше 1000 А) хорошее формирование обеспечивают «длинные» флюсы, вязкость которых при повышении температуры монотонно уменьшается. При сварке кольце­вых швов малого диаметра для предотвращения отекания шлака следует использовать «ко­роткие» флюсы, вязкость которых резко уменьшается с повышением температуры. Сущест­венное впияние на формирование шва оказывает газопроницаемость флюса, которая опре­деляется размерами частиц и насыпной массой флюса. Рекомендуемые размеры частиц стекловидного флюса в зависимости от мощности дуги, обеспечивающие удовлетворитель­ное формирование шва. приведены ниже.

По назначению флюсы подразделяются: для сварки низкоуглеродистых и низколегиро­ванных сталей: для сварки легированных и высоколегированных сталей; для сварки цветных металлов и сплавов. В зависимости от химического состава флюсы классифицируют по со­держанию кремния и марганца. Низкокремнистые флюсы содержат менее 35% Si02. При со­держании более 1% МпО флюс называют марганцевым. Высококремнистые флюсы содер­жат более 35% Si02; в составе безмарганцевых флюсов менее 1% МпО. Особую группу при классификации флюсов по химическому составу занимают бескислородные флюсы. По сте­пени легирования различают флюсы пассивные (практически не легирующие металл шва), слаболегирующие (плавленые) и легирующие (керамические). По способу изготовления флюсы подразделяются на ппавленые, керамические и механические смеси. По строению частиц плавленые флюсы разделяют на стекловидные (прозрачные зерна) и пемзовидные (зерна пенистого материала белого или светлых оттенков желтого, зеленого, коричневого и других цветов). Пемзовидные флюсы имеют меньшую насыпную массу (0,7 -1.0 кг/дм3), чем стекловидные (1.1 -1,8 кг/дм3). Наибольшее применение нашли плавленые флюсы.

Общие требования к флюсу. Флюсы для механизированной сварки должны обеспечи­вать устойчивое протекание процесса сварки, отсутствие кристаллизационных трещин и пор в металле шва. требуемые механические свойства металла шва и сварного соединения в целом, хорошее формирование шва. легкую отделимость шлаковой корки, минимальное выделение токсичных газов при сварке, а также иметь низкую стоимость и возможность мас­сового промышленного изготовления.

Сочетания флюс-проволока

При всем своем многообразии любое сочетание флюс/проволока должно оцениваться по двум основным факторам:

• обеспечение требуемого уровня механических свойств металла швов и сварных соедине­ний;

• невысокая стоимость сварочных работ (с учетом производительности процесса, сварочно­технологических свойств флюса, расходов на подготовку флюса к сварке и удаление шлаковой корки, санитарно-гигиенических требований и т. п.).

Еспи сварочно-технологические характеристики процесса сварки определяются в ос­новном свойствами флюса, то механические свойства металла швов и сварных соединений зависят от сочетаний “флюс-провопока".

Реакции шлак-металл и газ-металл, восстановление и выгорание элементов

Во время сварки плавлением происходит взаимодействие между жидкими шпаком и металлом. Длительность этого взаимодействия обычно очень невелика. При электродуговой сварке она колеблется от 10 с до 1 мин. При электрошлаковой сварке шлак и металл взаи­модействуют значительно дольше — до нескольких минут. Взаимодействие прекращается после затвердевания металла и шлака. Несмотря на кратковременность, реакции взаимо­действия между шлаком и металлом при электродуговой сварке могут проходить очень энергично, что обусловливается высокой температурой нагревания металла и шлака, боль шими поверхностями их контактирования и сравнительно большим относительным количе­ством шлака. Последнее в среднем составляет 30 - 40% от массы металла при сварке под флюсом и до 10% массы металла при сварке по флюсу. Из-за весьма небольшого расхода флюса при электрошлаковой сварке жидкий металл и шлак взаимодействуют слабо.

Взаимодействие меоду шлаком и металлом описывается реакциями вытеснения из шлака в металл одного элемента другим или распределения между шлаком и металлом. Реакции вытеснения преимущественно ведут к обогащению или обеднению металла шва легирующими элементами, реакции распределения - к образованию в металле шва неме­таллических включений.

В процессе реакций вытеснения на поверхностях контактирования жидких металла и шлака взаимодействуют атомы металла и молекулы окислов шлака. Весьма существенную роль при этом играют реакции восстановления кремния и марганца:

(МпО) + [Fe] = (FeO) + [Мп]; (Si02) + 2 [Fe] =2 (FeO) + (Si].

Символы в круглых скобках обозначают элементы и соединения, находящиеся в шла­ке, в квадратных - в металле. При высоких температурах реакции преимущественно идут слева направо (восстановление марганца и кремния из шлака в металл), при снижении температуры - справа налево (окисление марганца и кремния и переход их из металла в шлак). Направление реакций зависит также от концентрации реагирующих веществ. Если в металле сварочной ванны содержится мало марганца и кремния, а в шлаке много МпО и Si02 и мало FeO, марганец и кремний при высоких температурах (вблизи дуги) восстанав­ливаются из шлака в металл. Если в металле сварочной ванны много марганца и кремния, а

в шлаке нет МпО и Si02, или много FeO, марганец и кремний окисляются даже в зоне

высоких температур сварочной ванны.

В ионной форме реакции марганце - и кремнийвосстановительного процессов записы­ваются так;

(Мп2*) + [Fe] = [Мп] + (Fe2*); (Si4*) + 2 [Fe] = [Si] + 2(Fe2*).

На поверхностях соприкосновения жидких металла и шлака вступают во взаимодейст­вие находящиеся в металле атомы железа с находящимися в шлаке катионами марганца и кремния. В результате обмена зарядами положительные ионы марганца и кремния восста­навливаются (приобретают электроны) и переходят в металл, атомы железа отдают элек­троны, становятся положительными ионами и переходят в шлак,

Восстановление кремния может происходить в результате протекания реакции, кото­рая в молекулярной форме имеет вид (Si02) + 2[Mn]а [Si] + 2(МпО)

в ионной форме:

(Si4") + 2[Mn] = [Si] + 2 (Мл4*).

Если концентрация марганца в жидком металле достаточно высока и в шлаке много кремнезема, эта реакция идет слева направо (восстановление кремния и окисление марган­ца). если марганца в металле мало, кремния много и шлак содержит значительное количе­ство окислов марганца - справа налево (восстановление марганца и окисление кремния).

В шов переходит тем больше марганца, чем выше содержание МпО и меньше Si02 в сварочном флюсе (ишаке). Снижение количества марганца, переходящего в шов. с ростом содержания кремнезема во флюсе обусловливается снижением активности МпО вследствие образования в расплаве силикатов марганца, например МпО • Si02. Переход марганца из флюса в шов зависит также от степени окисленности флюса. Чем флюс более окисленный, т. е. чем выше в нем содержание Мп203. тем меньше переходит марганца в шов. Из реакции (1.9.1) следует также, что количество марганца, переходящего в шов, уменьшается при по­вышении содержания FeO во флюсе.

В отличие от количества марганца, переходящего в шов. количество кремния, перехо­дящего из сварочного шлака в металл шва. обычно невелико (0.1 - 0,2 %), пропорционально концентрации кремнезема в шлаке и меньше зависит от степени окисленности шлака. Реак­ции распределения имеют следующий вид:

(МеО) <=> [МеО] или (MeS) <=>[MeS].

При нагреве жидкого металла эти реакции идут слева направо, т. е. оксиды и сульфиды переходят из шлаковой фазы в металлическую. В процессе последующего охлаждения ме­талла эти реакции протекают в обратном направлении, что обусловлено падением раство­римости в металле кислорода и серы. Образующиеся при этом частицы неметаллического вещества удаляются в шлак или остаются в металле шва в виде оксидных и сульфидных неметаллических включений. Интенсивным прохождением реакций распределения элемен­тов между шлаком и металлом обусловливается четко выявленное влияние состава свароч­ного шлака на состав неметаллических оксидных включений в металле шва. Отсутствие прямой связи между содержанием в сварочном шлаке и в оксидных включениях таких оки­слов, как MgO, Na20, К20 и СаО, объясняется практической нерастворимостью магния, на­трия. калия и кальция в жидком железе. При температурах существования жидкого железа эти металлы находятся в газообразном состоянии, поэтому их окислы могут попадать в ме­талл шва лишь с частицами сварочного шлака.

Реакции взаимодействия между шлаком и металлом сварочной ванны проходят в ус* ловиях быстрого изменения температуры и постоянного обновления состава реагирующих фаз. В связи с этим изменяются как интенсивность прохождения этих реакций, так и их на­правление. Однако, хотя взаимодействие шлака и металла при сварке не достигает состоя­ния равновесия, оно всегда направлено в сторону его установления.

Интенсивность взаимодействия шлака и металла зависит от режима сварки, причем на это взаимодействие оказывает влияние лишь такое изменение режима сварки, которое ме­няет соотношение между количествами реагирующих шлака и металла. Наиболее четко это видно при сварке под флюсом, когда соотношение между расплавленными шлаком и ме­таллом может резко изменяться. Наиболее сильно на него влияют сила тока и напряжение дуги, плотность тока и скорость сварки оказывают малое влияние. Уменьшение силы тока и увеличение напряжения дуги усиливают взаимодействие шлака и металла, увеличивают ин­тенсивность восстановления или окисления кремния и марганца при сварке, усиливают пе­реход серы и фосфора из шлака в металл или из металла в шлак.

Как будет показано ниже, от флюса зависит содержание водорода и кислорода в свар­ных швах. Содержание же азота в них характеризует надежность защиты зоны сварки от доступа воздуха.

При сварке неплавящимся электродом без присадочного металла шов полностью со­стоит из переплавленного основного металла. Если сварка производится плавящимся элек­тродом или неплавящимся электродом с присадочным металлом, шов представляет собой сплав основного и присадочного металлов. Соотношение между основным и присадочным металлами в шве зависит от параметров режима сварки и типа подготовки кромок.

При автоматической сварке заданный режим поддерживается постоянным, в единицу времени плавятся определенные количества электродного и основного металлов, одинако­во проходят процессы взаимодействия металлической, шлаковой и газовой фаз при высоких температурах. Благодаря постоянству режима автоматической сварки получается шов ста­бильного химического состава. Если известны химический состав основного металла и сва­рочной или присадочной проволоки, а также характер изменения химического состава ме­талла сварочной ванны в результате взаимодействия со шлаковой или газовой фазой, то можно заранее приблизительно рассчитать химический состав шва, который получится при сварке на выбранном режиме. Для этого используется уравнение:

(Rfo = ((R]m ♦ ARm)Y + <[R]n + ARn) (1 - Y).

где: (R]a - расчетное содержание данного элемента в металле шва;

[R]m, [R]n — действительное содержание элемента соответственно в основном метал­

ARM, ARn - изменение содержания элемента в расплавленном соответственно основ­ном и электродном металлах в результате их взаимодействия со шлаковой или газо­вой фазой;

у и (1 - у) - доля соответственно основного и электродного металлов в шве.

Действительное содержание данного элемента в основном и электродном металлах определяется с помощью химического или спектрального анализа. Доля основного и элек­тродного металлов в металле шва определяется по поперечным макрошлифам сварных швов. Сложность в расчете заключается в раздельном определении влияния взаимодейст­вия основного и электродного металлов со шлаковой или газовой фазой на изменение их химического состава. Поскольку нет достаточного количества фактических данных о вели­чинах ARM и ARn обычно приходится отказываться от применения указанного уравнения, хо­тя оно наиболее полно отражает физический смысл реакций, протекающих при сварке пла­вящимся электродом. Поэтому, как правило, применяют упрощенное уравнение:

[Rfo = (R}MY + [Rln(1-Y) + AR.

где AR - суммарное изменение содержания данного элемента в шве, т. е. разница между ко­нечным содержанием элемента в шве и его исходной концентрацией [R]„ определяемой по правилу смешения:

[R1q=[R]m Y + [R]n(1 - Y).

Значение &R зависит не только от состава основного металла, сварочной или приса­дочной проволоки и флюса, электродного покрытия или защитного газа, но и от режима сварки.