ТЕОРИЯ сварочных процессов

Особенности легирования металла шва при сварке электродами с покрытием

При сварке электродами с покрытием металл шва образуется из основного металла, электродной проволоки и покрытия. Леги­рование металла шва осуществляется несколькими способами:

1) введением в покрытие электрода порошкообразных метал­лических добавок или ферросплавов - марганца, кремния, титана и др. Они входят в состав капель, а затем в металл шва;

2) восстановлением на стадии капли оксидов, входящих в со­став покрытия. Это легко осуществляется для малоактивных ме­таллов, таких как никель, медь, и сложнее - для таких элементов, как марганец, кремний и хром;

3) предварительным вводом легирующих элементов в состав электродного стержня. Этот способ дает самые стабильные ре­зультаты;

4) расплавленим основного металла, содержащего необходи­мые элементы (применяется при сварке высокопрочных и теплоус­тойчивых сталей). 1

При определении степени легирования металла шва при сварке электродами следует учитывать потери легирующих элементов, возникающие вследствие испарения, разбрызгивания металла и окислительно-восстановительных реакций со шлаком в зоне сварки. і

Для оценки изменения состава металла при сварке сравнивают полученный (аналитический) состав с расчетным. Доли основного (о по площади F0) и наплавленного металла (с + п по площади

Fc+n) с учетом перехода эле - 1

ментов из стержня (с) и покры­тия (п) можно определить по макрошлифу сварного соеди­нения, если известна геометрия кромок, подготовленных под сварку (рис. 10.21). В отличие от сварки под слоем флюса площадь наплавки FH=Fc+n

будет создаваться не только электродным металлом, но и металлом из покрытия. Запи­шем отношение площадей участков шлифа основного и наплавле­ного металлов:

= — = (10.31)

Fc+n с+п

Зная отношение массы расплавленного покрытия к массе расплав­ленного электродного металла Кп, а также содержание легирую­щего элемента [х] в покрытии и долю его перехода в сварочную ванну у, можно записать:

п/с = Кп [х]|/ = п. (10.32)

Так как

то, решая совместно уравнения (10.31)—(10.33), получаем числен­ные значения долей о, с, п. Если обозначить через [х]0, [х]с и [х]п массовые доли легирующего элемента соответственно в основном металле, стержне и в покрытии, то расчетная концентрация равна:

Мр = °Мо + ф]с + пМп-

Сопоставляя фактический состав металла шва с расчетным:

Мш — Мр AM Ф о,

можно оценить, что произошло: легирование (А [х] > 0), или выго­рание (A [х] < 0) элемента.

Следует отметить, что результаты вычислений по расчетному составу являются весьма приблизительными, так как при этом не учитываются потери легирующих элементов от испарения, окис­ления и от разбрызгивания, которое при ручной сварке достигает 15...20%.

При выборе новых электродов или при разработке новых видов покрытий используют коэффициенты перехода или усвоения, с помощью которых учитывают указанные потери. Это позволяет раздельно оценивать переход того или иного элемента из элек­тродного стержня, покрытия и основного металла.

Использованием коэффициента перехода элемента из стержня (сварочной проволоки) учитывают концентрацию данного элемента в шве:

(10.36)

где гс - коэффициент перехода элемента из сварочной проволоки; Мш ~ содержание элемента в шве; [х]с - содержание элемента в сварочной проволоке.

С помощью коэффициента перехода элемента из покрытия (%) учитывают относительную массу покрытия Ки:

(10.37)

Аналогично коэффициентом перехода (т)0) учитывают переход данного элемента из основного металла:

По=ГГ-- (10.38)

M0

Общее содержание данного элемента в металле шва равно

Мш = Мш + Мш + Мш • (1 °-39)

Запишем соотношение коэффициентов перехода:

г1о>Лс>Лп - (10.40)

Значение г|п мало потому, что ферросплавы реагируют с покрыти­ем. Суммарный коэффициент перехода ц с учетом основного ме­талла (о) и сварочной проволоки (с), а также добавок в покрытие (п) определяется выражением

г| = „ Щг : • (10.41)

оМш +с[4+пМш^п

Коэффициент перехода зависит от многих факторов, таких как:

- основность шлака, а также содержание в нем оксидов основ­ного металла;

- сродство элемента к кислороду. Высокоактивные металлы (Ті, А1) имеют очень малые коэффициенты перехода, а у малоак­тивных, например у Ni, он близок к единице;

- наличие раскислителя для данного элемента в составе покры­тия. Например, при вводе в состав покрытия А1 или Ті коэффици­енты перехода для Si и Мп существенно возрастают;

- концентрация элемента в электродном стержне. С увеличе­нием концентрации коэффициент перехода данного элемента сна­чала возрастает, но при содержании выше квазиравновесного он будет понижаться, а элемент, окисляясь, будет переходить в шлак;

- относительная масса покрытия Кп. До определенного значе­ния (Кп = 25...30 %) коэффициент перехода возрастает, а при больших значениях начинает снижаться, так как при большой толщине слоя покрытия реакции при плавлении идут менее интен­сивно и ухудшается стабильность сварочного процесса. Это связа­но с нарушением баланса вследствие затрат теплоты дуги на плав­ление электродного стержня и покрытия;

- технология изготовления покрытия (его гранулометрический состав, операции пассивирования, сушки, прокалки);

- режим сварки. При повышенном напряжении на дуговом про­межутке и большой длине дуги металл будет подвергаться окисле­нию в большей степени, так как ухудшается надежность защиты сварочной зоны от окружающей атмосферы. Средние значения ко­эффициентов перехода из электрода в шов даны в табл. 10.8.