ПРОИЗВОДСТВО ЭЛЕКТРОДОВ ДЛЯ РУЧНОЙ СВАРКИ

Пористость сварных швов

Одним из наиболее часто встречающихся дефектов сварных швов являются поры. Так как их появление часто провоцируется нарушениями технологии изготовления электродов, рассмотрим этот весьма сложный процесс, о механизме которого существуют различные точки зрения.

Возникновение пористости связано с образованием газовых пу­зырьков в жидкой сварочной ванне и фиксацией их в металле при его кристаллизации. В зависимости от конкретных условий причи­нами образования пористости могут явиться такие газы, как водо­род, азот и оксид углерода.

Возникновение и развитие пор определяется совместным дей­ствием всех газов, присутствующих в металле. Однако чаще всего основное влияние принадлежит какому-либо одному из перечис­ленных газов. Существенно также влияние физических свойств сварочных шлаков.

Ранее было отмечено, что вместе с ростом температуры жидкого металла количество растворенного газа возрастает. В области высо­ких температур (капли жидкого металла, головная часть сварочной ванны) количество растворенного газа может превысить его рас­творимость (то количество газа, которое растворяется в жидком металле при температуре плавления и внешнем давлении газа в 101 кПа). В результате сварочная ванна в ее хвостовой, менее на­гретой части окажется пересыщенной газом, особенно на границе с кристаллизующимся металлом.

Излишний по сравнению с равновесным содержанием газ будет выделяться из металла. При этом он способен создавать давление (давление выделения), превышающее атмосферное. Если выделе­ние газа в атмосферу с поверхности металла происходит легко, то образование и развитие газового пузырька внутри металла затруд­нено и требует затрат энергии.

Образование зародыша газового пузырька происходит легче всего на границе между жидкой фазой и кристаллизующимся твер­дым металлом. Особенно легко это происходит во время остановок кристаллизации, продолжительность которых для стали обычно не превышает 0,2 с. Дело в том, что в процессе кристаллизации про­исходит повышение концентрации газа в слое жидкого металла на его границе с образующейся твердой фазой. Во время движения фронта кристаллизации содержание газов в твердом металле становится равным его исходному содержанию в жидком металле. Так как растворимость газов в твердом металле меньше, чем в жид­ком, то при остановке кристаллизации газ, в первую очередь водо­род, из затвердевшего металла начнет диффундировать в жидкий металл. Учитывая, что слой жидкого металла уже пересыщен га­зом, вероятность возникновения стойкого зародыша в это время возрастает.

Дальнейшее развитие и рост зародыша будут происходить в том случае, если сумма давлений выделения всех газов, растворенных в металле, превышает атмосферное давление.

Рассмотрим условия возникновения пористости при сварке эле­ктродами с покрытиями различных видов. При этом объединим в одну группу электроды с покрытиями следующих видов: кислым, рутиловым, целлюлозным. Общим для таких покрытий является наличие органики, главным образом в виде целлюлозы, создающей достаточную газовую защиту от атмосферы воздуха и кислых окси­дов в количествах, обеспечивающих развитие умеренного кремне­восстановительного процесса, а также применение в качестве рас - кислителя главным образом ферромарганца.

Сумма парциальных давлений остаточного водорода, азота и ок­сида углерода в наплавленном металле существенно превышает ат­мосферное давление. Каким же образом пересыщение наплавлен­ного металла газами сочетается с возможностью получения беспо - ристых швов?

Прежде всего, следует отметить, что жидкий металл, наплавляе­мый электродами этой группы, имеет при сравнительно высоких температурах повышенное содержание растворенного кислорода, что существенно снижает вязкость металла. Из трех рассмотрен­ных газов водород содержится в швах в большем количестве, и его парциальное давление, как правило, превышает атмосферное дав­ление. При этом диффузионная подвижность водорода в жидком металле на два-три порядка выше диффузионной подвижности азота, кислорода и углерода, необходимого для образования оксида углерода.

Приведенные особенности электродов рассматриваемой группы создают благоприятные условия для возникновения зародышей на фронте кристаллизации и их дальнейшего развития, главным обра­зом, за счет диффузии в них водорода.

В результате образующиеся газовые пузырьки растут быстрее, чем движется фронт кристаллизации. Пузырьки, достигнув опреде­ленного размера, отрываются и всплывают, что и обеспечивает отсутствие пористости в швах.

При введении в покрытие электродов сильных раскислителей (ферросилиций, алюминий, углерод) окислительный потенциал покрытия снижается. Это приводит к росту коэффициента перехо­да марганца из покрытия в наплавленный металл, к более интен­сивному развитию кремневосстановительного процесса или приро­сту кремния за счет его перехода из ферросилиция, вводимого в по­крытие. При этом изменяется также и химический состав образую­щегося шлака, а следовательно, и его свойства. В первую очередь повышается вязкость шлака, снижается его окислительная способ­ность и газопроницаемость.

Примерно к таким же результатам приводит прокалка электро­дов рассматриваемой группы при высоких температурах, превыша­ющих рекомендованные. Это снижает концентрацию влаги в по­крытии и вызывает обугливание органики. Все вместе взятое спо­собствует развитию кремневосстановительного процесса.

При повышенной концентрации кремний взаимодействует с кислородом, начиная с высоких температур. Это повышает вяз­кость и поверхностное натяжение жидкого металла. Кроме того, кремний затрудняет выделение водорода из металла. В результате образование и рост газовых пузырьков происходит вяло. Металл кристаллизируется быстрее, чем растут пузырьки газа, и в металле возникает внутренняя пористость.

В связи с повышением вязкости шлака может возникнуть также большая наружная пористость. Чаще всего это бывает, когда вяз­кий шлак покрывает ту часть сварочной ванны, в которой происхо­дит образование газовых пузырьков. Густой шлак задерживает об­разовавшиеся пузырьки газа на границе металл — шлак и не позво­ляет им выделиться в атмосферу.

Для предупреждения возможности образования пор при сварке электродами рассматриваемой группы необходимо:

• при изготовлении — строго соблюдать рецептуру покрытия и требования технической документации к компонентам и техно­логии изготовления, обращая особое внимание на соблюдение предусмотренных режимов прокалки;

• при применении — строго выдерживать предписанные режимы силы сварочного тока. В случае чрезмерного увлажнения произ­водить дополнительную прокалку в соответствии с технической документацией.

Сварку рекомендуют производить через 2-3 дня после прокал­ки с целью стабилизации влажности покрытия электродов в усло­виях цеха.

При сварке электродами с покрытием основного вида карбо­наты, содержащиеся в таких покрытиях в больших количествах, при высокой температуре разлагаются с выделением углекислого газа. При сварке короткой дугой обеспечивается достаточно мощ­ная защита сварочной ванны от воздействия воздуха, в связи с чем содержание азота в швах обычно не превышает 0,02%. Так как в со­став покрытия электродов входят сильные раскислители (кремний, титан), наплавленный металл по типу относится к спокойной стали с концентрацией кремния 0,2-0,4%. Поэтому содержание общего кислорода, связанного главным образом с кремнием, обычно нахо­дится в пределах 0,02-0,04%.

Температура прокалки электродов с покрытием основного вида достигает 380-420 °С.

Учитывая низкое содержание в покрытии пластификаторов, имеющих в своем составе связанную влагу, содержание в швах сум­марного водорода, как правило, не превышает 6-8 мл/100 г. Каза­лось бы, пористость в таких швах должна всегда отсутствовать. Од­нако на практике нередки случаи получения пористых швов. Рас­смотрим возможные причины их образования.

При сварке длинной дугой в атмосферу зоны сварки проникает воздух, а, следовательно, и азот, который в существенном количе­стве может раствориться в жидком металле при высокой темпе­ратуре.

При охлаждении жидкого металла до температуры кристалли­зации'растворимость азота резко снижается, и металл на фронте кристаллизации может оказаться пересыщенным этим газом. Так как скорость кристаллизации будет превышать скорость роста пузырьков, в сварных швах появятся поры.

При сварке электродами с увлажненным покрытием в атмо­сфере дуги появятся пары воды, диссоциация которых сопровож­дается появлением атмосферного водорода. В этом случае жидкий металл на фронте кристаллизации может быть пересыщен водоро­дом. В связи с медленным ростом пузырьков кристаллизующийся металл их зафиксирует, и в сварных швах появится пористость.

При сварке по окисленным, ржавым поверхностям возможно местное пересыщение металла как кислородом, так и водородом. Пористость возникает на фронте кристаллизации в результате

образования пузырьков газа как за счет водорода, так и за счет оксида углерода.

С целью снижения чувствительности электродов с основным покрытием к пористости при их изготовлении следует жестко огра­ничить введение в покрытие минеральных и органических пласти­фикаторов, содержащих соединения водорода, трудноудаляемые в процессе прокалки. Режимы прокалки должны полностью соответ­ствовать требованиям технической документации.

Сварку необходимо выполнять только по зачищенным поверх­ностям, на токовых режимах, соответствующих указаниям доку­ментации. Перед употреблением электроды надо прокалить.