ТЕОРИЯ сварочных процессов

Металлургические процессы при сварке сталей в струе СО2

Углекислый газ СО2 обладает молекулярной массой 44 и плот­ностью 1,96 кг/м3, поэтому он хорошо вытесняет воздух, плот­ность которого ниже (1,29 кг/м3). Поставляют углекислый газ в баллонах или контейнерах, где он находится в жидком состоянии, так как переход из жидкого в газообразное состояние происходит

при следующих критических параметрах газа: Гкр = 304 К, /?кр = = 7,887 МПа.

Для сварки применяют углекислый газ с пониженным содер­жанием вредных примесей - кислорода, азота, оксида углерода, влаги - в соответствии с ГОСТ 8050-74, т. е. отличающийся от пищевого СО2.

Углекислый газ в области высоких температур диссоциирует на СО и О2. На этот процесс расходуется часть тепловой энергии Q дугового разряда:

2С02 <=*2СО + О2-0. (10.15)

Рост константы равновесия процесса диссоциации при повы­шении температуры следует из рис. 9.3.

В условиях высоких и быстроменяющихся температур при

сварке состав продуктов диссоциации СО2 в разных точках дуго­вого разряда будет изменяться.

На рис. 10.12 приведена схема­тическая диаграмма распреде­ления температуры и концен­траций газов вдоль оси сварного шва при движении сварочной головки с постоянной скоро­стью VCB.

В точке О на оси столба дуги происходят резкое повышение температуры и диссоциация СО2. С каплями электродного металла, проходящими через

дуговой промежуток, будет со - Рис 1012 Изменение

температу-

прикасаться атмосфера, состоя - рЫ и концентрации СО, СО2 и Ог щая из 66,6 % СО и 33,3 % О2. при сварке в углекислом газе

Поэтому СО2 называют активным защитным газом. Он защищает зону дуги от компонентов воздуха и прежде всего от азота и водо­рода. Но в то же время большая концентрация СО будет тормозить

этот процесс и, кроме того, задерживать окисление углерода стали

(находящегося в соединении РезС), сдвигая реакцию влево:

[Fe3C] + [FeO]<=>4Fe + CC>T. (10.17)

Однако чтобы предотвратить окисление металла значительным количеством кислорода, образующегося в атмосфере дуги, необхо­дим дополнительный ввод в сварочную проволоку раскислителей. Обычно применяют кремний (около 1 %) и марганец (около 2 %). Поэтому для сварки низкоуглеродистых сталей применяют специ­альные сварочные проволоки (Св-08ГС, Св-08Г2С). При сварке легированных сталей необходимо использовать специальные сва­рочные проволоки Св-08ХЗГ2СМ, Св-10ХГ2СМА, Св-08Г2СДЮ, также содержащие раскислители (марганец и кремний), которые предохраняют от окисления легирующие элементы, входящие в со­став стали и сварочной проволоки. Раскисляющие добавки, содер­жащиеся в каплях электродного металла, растворяются в жидком

металле сварочной ванны и задерживают окисление железа и рас­

творенных в нем элементов. Диссоциация содержащихся в СО2 паров воды

2Н20 <=± 2Н2 + 02 (10.18)

тоже будет тормозиться вследствие высокого парциального давле­ния кислорода, полученного при диссоциации СО2.

На участках, удаленных от оси столба дуги, будет происходить догорание окиси углерода, т. е. рекомбинация молекул СО с боль­шим выделением тепловой энергии, которая раньше расходовалась на диссоциацию газа (около 30 % электрической мощности дуги):

2СО + 02<=> 2С02 + Q. (10.19)

Выделение теплоты при обратном процессе на периферийных участках дугового разряда увеличивает глубину проплавления и

ширину шва. По сравнению с дугой, горящей в аргоне, при дуго­вой сварке в СО2 проплавление увеличивается, а ширина шва уменьшается, и это приходится учитывать технологам.

Газовая атмосфера на участках, удаленных от оси столба дуги,

будет обогащаться СО2 и водородом, образовавшимся при диссо­циации паров воды. Взаимодействуя с СО2, Н2 будет связываться в молекулы Н2О:

Н2 + С02 Н20 + СО. (10.20)

Таким образом, при сварке в струе углекислого газа металл по­глощает водород в меньших количествах, чем при других видах сварки. В среднем при сварке низкоуглеродистых, низколегиро­ванных сталей в струе СО2 содержание водорода в наплавленном

металле колеблется от 0,5 до 2 • 10 5 м3/кг.

При вводе Si и Мп в сварочную проволоку атмосфера будет по-прежнему окислительной, но эти элементы, попадая в свароч­ную ванну, будут связывать кислород, растворенный в металле, т. е. раскислять металл шва:

[FeO] + [Мп] +±Fe + (MnO)t; (10.21)

2[FeO] + [Si] <=>2Fe + (Si02)t. (10.22)

В хвостовой части сварочной ванны шлак всплывает на по­верхность металла, но обычно его недостаточно, чтобы создать сплошной защитный слой на поверхности шва. Металл, наплав­ленный при сварке в струе СО2, чище (содержит меньше шлако­вых включений), и поэтому его пластические свойства несколько выше, чем при сварке под слоем флюса. Главный недостаток свар­ки в струе СО2 - разбрызгивание металла электрода (до 12 %). Его

сводят к минимуму, добавляя 3 % кислорода к СО2. Это позволяет перейти к струйному переносу металла электрода. В качестве ак­тивного защитного газа в отдельных случаях можно применять также перегретый водяной пар, который вытесняет из зоны столба дуги азот и кислород атмосферы (JI. C. Сапиро). Однако при взаи­модействии пара с жидким металлом будет выделяться большое количество водорода:

Н20 + Fe -> [FeO] + H2;

H2 -► 2[Н].

Это приводит к образованию пор, а в легированных сталях - и к образованию холодных трещин.