ТЕОРИЯ сварочных процессов

Металлургические процессы при сварке электродами с различными покрытиями

Все защитно-легирующие покрытия, несмотря на их различ­ный состав, работают по одной и той же схеме, представленной на рис. 10.19. В результате горения дуги, плавления электрода и по-

крытия практически одновременно идут процессы формирования сварочной ванны, ее газовой и шлаковой защиты от насыщения азотом, а также от окисления кислородом воздуха. Затем идут процессы нейтрализации водорода, раскисления, легирования и модифицирования, рафинирования жидкого металла, его кристал­лизации, связывания продуктов всех реакций в шлаковую фазу и отделения шлаковой корки. Однако в разных типах покрытия ука­занные процессы осуществляются по различным физико­химическим реакциям.

Сварка электродами с рудно-кислым покрытием (А). Руд­но-кислые покрытия создают значительное количество газов (СО2,

СО, Н2, Н2О) в результате разложения и окисления крахмала или органических компонентов, что и обеспечивает хоро­шую защиту от атмосферного воздуха. Кроме того, при нагреве Fe203 выделяет­ся кислород, связывающий водород в нерастворимый пар Н2О. Однако для противодействия окислению металла кислородом, выделяющимся из гематита Fe203, в покрытия этого типа требуется ввести значительное количество раскис­лителей, главным образом ферромарган­ца. Так, в электродах ЦМ-7 содержится до 33 % гематита и около 30 % ферро­марганца, что достаточно для восста­

новления почти всего гематита. При вво­де большого количества раскислителей образуется много продуктов раскисления - оксидов. Часть из них не выходит из шва и создает неметаллические включения, снижающие ударную вязкость и пла­стичность швов (рис. 10.20).

Окислительно-восстановительные процессы при сварке этими электродами можно описать следующими уравнениями реакций:

(Fe203) + Mn = (МпО) + 2[FeO];

[Мп] + [FeO] = (МпО) + Fe;

(10.30)

(Si02) + 2Мп = 2(МпО) + [Si].

Первая реакция экзотермична и выделяет значительное количество теплоты. За счет восстановления железа из покрытия коэффициент наплавки увеличивается до 10... 12 г / (А-ч). В последнее время этот принцип экзотермичности покрытия был применен для созда­ния электродов, не требующих при сварке электрического тока. В них усилен эффект «бенгальских огней» путем ввода в покрытие соединений алюминия, магния и др., применяемых при термитной сварке.

Сварка электродами с рутиловым покрытием (Р). Иначе ор­ганизованы те же процессы при сварке электродами с рутиловым

покрытием Р. Газовую защиту образует СО и СО2 при распаде кар­
боната MgC03, а также СО, СН и Н2 при распаде декстрина. Связы­вание водорода в ОН путем окисления выполняют диссоциирующие СО2, рутил И полевой шпат, СОСТОЯЩИЙ преимущественно ИЗ Si02. Шлаковую защиту создает ТЮ2 и Si02 (из полевого шпата).

Рутил является слабым окислителем. Он не полностью диссо­циирует (ТІО2 = ТІО + О), выделяя мало кислорода и сохраняя форму шлака (ТЮ). Раскислителем в этом покрытии служит FeSi. Электроды с покрытием такого типа обладают высокими техноло­гическими свойствами - обеспечивают достаточную устойчивость горения дуги на переменном токе, хорошее формирование шва и отделяемость шлаковой корки, возможность сварки в любом про­странственном положении шва. Рутиловые электроды малоток­сичные и обеспечивают высокие механические свойства наплав­ленного металла.

Сварка электродами с основным покрытием (Б). В основ­ном электродном покрытии типа Б газообразующим является

СаСОз, окислителями - СО2 и Si02, раскислителями - FeTi и FeSi,

а рафинирующим элементом - СаО. Одновременно СаО, CaF2 и

Si02 создают шлак, связывающий продукты раскисления.

Газовую защиту зоны сварки осуществляет СО2 вследствие разложения мрамора СаСОз. Образующийся оксид кальция СаО, не способный к диссоциации в зоне дуги, не выделяет О2 и уходит на образование шлаковой системы основного типа CaO-CaF2- Ат­мосфера сварочной дуги преимущественно состоит из СО, СО2 и

Н2О в виде паров воды, выделяющихся из покрытия. Чтобы сни­зить уровень водяного пара и водорода в зоне сварки, эти электро­ды перед сваркой необходимо прокаливать при высокой темпера­туре: 600...790 К (до 840 К). Водород, попадающий в дугу из атмосферы, связывается фтором в не растворимое в металле со­единение HF.

Покрытие содержит несколько раскислителей, что позволяет получить мало окисленный и хорошо восстановленный металл с

малым содержанием Н2 (табл. 10.6). Поэтому электроды с таким покрытием называют низководородными. Присутствующий в шлаке оксид СаО хорошо рафинирует металл, что снижает склон­ность к образованию горячих и холодных трещин.

При сварке корозионно-стойких и жаростойких сталей приме­няют тот же тип покрытия, но с пониженным содержанием СаСОз (15...20 %), увеличивая содержание CaF2 (60...80 %). В этом слу­чае удается предотвратить науглероживание сварочной ванны и обеспечить содержание углерода в металле шва на уровне 0,05.. .0,02 %, как это требуется по техническим условиям.

Недостаток электродов с покрытием Б - малая устойчивость дугового разряда, что ограничивает выполнение сварки лишь на постоянном токе обратной полярности. Таким образом, техноло­гические возможности электродов с покрытием Б, несколько ниже, чем электродов с покрытиями А и Р. Кроме того, повышенное со­держание CaF2 вызывает образование токсичных соединений и требует создания надежной вентиляции рабочей зоны.

Сварка электродами с целлюлозным покрытием (Ц). Цел­люлозные покрытие Ц содержит в своем составе до 50 % органи­ческих веществ (древесная мука, целлюлоза). При их разложении и окислении выделяется большое количество газа, содержащего во­дород, окись углерода и др., что обеспечивает хорошую газовую защиту от воздушной среды при малом количестве шлака.

Для предотвращения водородной хрупкости или образования

пор введены выделяющие кислород окислители: ТІО2, FeO, М11О2. Для связывания водорода в HF в покрытия вводят также плавико­вый шпат CaF2- Надежная газовая защита позволяет снижать отно­сительную массу покрытия: Кп= 20 %. Технологические свойства электродов с покрытием Ц (ОМА-2, ВСЦ, ВСП и др.) довольно высокие, что позволяет их применять при сварке в различных про­странственных положениях. Электроды с целлюлозным покрыти­ем имеют в наплавленном металле высокое содержание водоро­да (см. табл. 10.6). Они предназначены для сварки в монтажных

место при приближении скорости электронов к нулю. В диапазоне малых энергий электронов (1...5 эВ) с увеличением их энергии Qecb как правило, уменьшается.

2.2.5. Эффект Рамзауэра

Обращает на себя внимание резкое уменьшение эффективного сечения Qea при малых энергиях электронов (є < 1 эВ) для ряда тяжелых атомов, в том числе для атомов тяжелых инертных газов. Это явление называется эффектом Рамзауэра (рис. 2.9).

При малых энергиях электронов в тяжелых инертных газах взаимодействие электронов с атомами сильно ослабляется в связи с эффектом Рамзауэра. Это объясняется волновым характером по­ведения электрона в процессе его упругого взаимодействия. При определенном соотношении между длиной волны де Бройля

ЛБ -------- ’

mv

соответствующей медленно движущемуся электрону, и размерами атома создаются условия для почти беспрепятственного прохож-

дения волны через атом, что дает малое сечение Qea. (Здесь h = 6,626 • 10 Дж ■ с - постоянная Планка.)

В условиях обычных сварочных дуг при температуре в столбе дуги Тст = 5000.. .12 000 К значения полных сечений Рамзауэра

= Qea + Qeb вычисленные МЄККЄ-

TOC o "1-5" h z —16 2 10 ром, составляют от (2...5) • 10 см «

с in”14 2 §

для инертных газов и до 5 ■ 10 см s -

для щелочных металлов (рис. 2.10), 2 2

т. е. отличаются почти в 200 раз. *

‘ Возникает вопрос: когда и какие >>

именно значения длины свободного s

пробега или эффективного сечения ^ 10

следует применять в расчетах? g

Из рис. 2.9 следует, что эффект g

Рамзауэра и минимум сечения и

Se = nQe соответствуют энергиям 1

электрона ~ 1 эВ.

В плазме столба сварочной дуги

при Гст = 5000... 10 000 К, как будет рис. 2.10. Эффективные сечения показано ниже, средняя энергия Рамзауэра для атомов с различ - электронов в соответствии с масвел - ным числом внешних валентных ловским распределением по скорое - электронов (по меккеру) тям равна - 1 эВ. Поэтому для плаз­мы в инертных газах следует принять длину свободного пробега электронов равной

Ae=l/Se, (2.22)

что отвечает минимуму соответствующей данному газу кривой Рамзауэра.

В приэлектродных областях дуги температуры электронов Те и газа Та не равны, термическое равновесие не соблюдается {ТеФ Та) и электроны могут набирать энергию до 8...20 эВ. На рис. 2.9 это примерно соответствует газокинетическим сечениям молекул.

Средний газокинетический пробег иона А,- в слабых полях ма­ло отличается от пробега молекул, т. е. для ионов (если диаметры

иона и молекулы считать равными) имеет место соотношение

условиях неповоротных стыков труб из незакаливающихся, низко­углеродистых и низколегированных сталей. Наплавленный металл соответствует типам Э42 и Э46 (табл. 10.7). В таком металле, не склонном к закалке, водород не опасен, так как в процессе выле­живания выходит из металла по диффузионному механизму.