Сварка разнородных сталей

Способы предотвращения образования шлаковых включений

Причиной образования шлаковых включений в многослойном щве при сварке в защитных газах аустенитной проволокой является на­личие на поверхности каждого слоя прочно удерживающейся туго­плавкой окисной пленки. Второй причиной может быть непровар из-за неблагоприятных форм проплавления и усиления, которые часто получаются при сварке в защитных газах.

Известно, что швы, сваренные плавящейся проволокой в ар­гоне, который в настоящее время является основным газом, исполь­зуемым для защиты при сварке аустенитных сталей, имеют узкое и высокое усиление с резким переходом к основному металлу, что обусловлено низкой жидкотекучестью получаемого при этом ме­
талла сварочной ванны [119]. Кроме того, дуга в аргоне характери­зуется неустойчивым положением катодного пятна на поверхности свариваемого металла, вследствие чего усиление имеет неровные края [119]. Характерной при сварке в аргоне является и форма провара [841. Часто получается так называемый пальцеобразный провар, отличающийся резким местным углублением в центре (рис. 84). Как узкое и высокое усиление, так и пальцеобразный провар затрудняют сплавление отдельных слоев в многослойном шве, в силу чего в последнем образуются шлаковые включения. Сказанное хорошо иллюстрируется схемой, приведенной на рис. 85.

При сварке в углекислом газе также получается не вполне бла­гоприятная форма слоя. По сравнению со сваркой под флюсом по­лучается более глубокое проплавление с высоким усилением слоя при мень­шей его ширине. Такое из­менение формы слоя при определенной степени его

Рис. 85. Схема образова­ния непровара (шлаково­го включения) из-за паль­цеобразного провара.

развития затрудняет сплавление отдельных слоев в многослойном шве и тем самым способствует образованию в нем шлаковых вклю­чений.

Поэтому изыскание способа предотвращения шлаковых вклю­чений в многослойном шве при сварке в защитных газах в основ­ном направлено на выяснение возможности получения при этой сварке отдельных слоев с хорошей формой провара и усиления. При этом на основе теории и практики сварочной техники исходят из|того, что в равных прочих условиях форма усиления и провара определяется режимом сварки и в первую очередь величиной сва­рочного тока и напряжения дуги. Поэтому о возможности полу­чения слоя с хорошей формой провара и усиления судят по влия­нию на них силы сварочного тока и напряжения дуги.

Влияние силы тока, напряжения и других параметров режима сварки в защитных газах на форму провара и усиления исследова­лось многими специалистами. Такие исследования выполнены и ав­тором с А. К. Цыкуленко. На рис. 86 показано влияние сварочного тока на параметры провара и усиления, где а — высота усиления; b — ширина провара и усиления; h — глубина провара и а — угол перехода усиления к основному металлу. Эти результаты полу­чены при сварке в аргоне проволокой диаметром 1,6 мм. Приведен -
ные данные показывают, что по влиянию сварочного тока на пара­метры усиления и провара можно наметить две области. Первая область (до тока примерно 220 А) характеризуется сравнительно слабым влиянием сварочного тока на исследуемые параметры. Во второй области (ток свыше 220 А) параметры усиления и про­вара существенно изменяются с увеличением тока.

Изменение степени влияния сварочного тока на параметры уси­ления и провара имеет определенный физический смысл. Как из­вестно, при сварке в аргоне может быть два вида плавления и пере­носа электродного металла — крупнокапельный и струйный [84]. При заданном диаметре электродной проволоки вид переноса за­висит от сварочного тока. При малых значениях тока электродный металл переносится крупными каплями. С уве­личением тока выше определенного значения (различного для разных диа­метров электродной проволоки) пере­нос становится мелкокапельным. Не­вооруженным глазом видна непрерыв­ная струя. Ток, при котором проис­ходит переход крупнокапельного пере­носа в струйный, называют крити­ческим. Для проволоки диаметром 1,6 мм ток 200—■ 220 А является критическим [84].

Из приведенных данных следует, что с целью обеспечения наиболее благоприятной формы провара при сварке в аргоне предпоч­тительными являются такие значения тока, которые находятся в об­ласти крупнокапельного переноса. В этой области сварочного тока мало сказывается на параметрах усиления и провара шва. При зна­чениях тока, обеспечивающих струйный перенос, незначительное их изменение приводит к сильному изменению усиления, особенно провара шва. В последнем появляется местное углубление, кото­рое увеличивается с возрастанием тока (рис. 84). Следовательно, упомянутый выше пальцеобразный провар присущ сварке на токах, выше критических (закритнческие токи). Это обстоятельство позволяет заключить, что для предотвращения образования шла­ковых включений в металле шва многослойную сварку в аргоне следует производить на докритических токах, хотя они, как извест­но, не обеспечивают оптимального характера процесса и разбрыз­гивания.

Оптимальное значение напряжения дуги можно выбрать по рис. 87. Влияние напряжения дуги на параметры провара и усиле­ния также зависит от характера переноса электродного металла. При режимах сварки, обеспечивающих крупнокапельный перенос (докритический ток), напряжение дуги заметно сказывается лишь на ширине шва и угле перехода наплавленного металла к основ-

В связи с этим влияние составляющих режима сварки исследовалось при диаметре сварочной проволоки 2 мм, который является макси­мальным из наиболее широко используемых при сварке в защитных газах. Было исследовано несколько сочетаний составляющих ре­жима сварки. В результате этого установлено, что в случае сварки проволокой диаметром 2мм наилучшая форма усиления и провара обеспечивается на режиме: /у = 270...290 А; t/д = 22...23 В и 1/св = 16...20 м/ч. Макрошлиф наплавки, полученной при этом режиме, приведен на рис. 90. Как видно из рисунка, указанный ре­жим сварки проволокой диаметром 2 мм позволяет получить вполне приемлемую форму провара и усиления. Однако при многослойной

сварке с применением даже этого режима не всегда удается полу­чить шов без шлаковых включений. Такой шов можно получить лишь в том случае, если он выполняется в три-четыре слоя [31].

При сварке изделий, требующих большего количества слоев, в верхней части шва и при этом режиме образуются шлаковые включения. Подтверждением сказанному является макрошлиф стыкового соединения металла толщиной 60 мм, выполненного на указанном режиме (рис. 91).

Таким образом, можно утверждать, что при любом режиме свар­ки в аргоне аустенитной проволокой нельзя получить многослойные швы, если они выполняются более чем в четыре-пять слоев, свобод­ные от шлаковых включений. Это обстоятельство позволяет счи­тать, что основной причиной шлаковых включений, наблюдаемых в аустенитном многослойном шве при сварке в аргоне, является образование на поверхости каждого слоя (валика) прочноудержи - ваемой и тугоплавкой шлаковой корки. В силу этого еще менее вероятно получение без шлаковых включений аустенитных много­слойных швов при сварке их в таких распространенных защитных средах, как углекислый газ и смесь аргона с кислородом. Окисли­тельная способность этих сред, как известно, выше чем аргона.

Итак, способом, который надежно позволяет предотвратить образование шлаковых включений в многослойных швах при сварке аустенитной проволокой в защитных газах, может быть применение сварочной проволоки, при котором исключается образование на поверхности наплавленного металла прочноудерживающегося туго­плавкого окисленного слоя (шлаковой корки) [33, 34]. Такая про­волока должна иметь химический состав, при котором затруднено образование и рост окисного слоя на поверхности наплавляемого металла или исключено образование в шлаке соединений, из кото­рых достраивается этот слой [33, 34]. Можно применять и такой состав проволоки, при котором не исключается окисление поверх­ности наплавленного металла. Состав этот должен быть таким, чтобы на поверхности наплавляемого металла образовывались окислы с решеткой, существенно отличающейся от решетки крис­таллизующихся окислов, составляющих в этом случае шлак.

Как показано в предыдущее параграфе, из всех широко исполь­зуемых в СССР сварочных проволок аустенитного класса только две проволоки из хромоннкелевой стали, которые содержат повы­шенное (5—7%) количество марганца, обеспечивают отсутствие шлаковых включений в многослойном шве при сварке в защитных газах. Однако при использовании этих проволок получается металл шва такого химического состава, который во многих случаях не удовлетворяет предъявляемым требованиям. Следовательно, для многослойных швов, выполняемых сваркой в защитных газах, необходимо применять новые сварочные проволоки. Одна из них разработана автором с А. Д. Стретовичем. Это хромони - кельмолибденовая проволока, содержащая 0,1—0,3% циркония (Х25Н25МЗ Zr) [36].

При разработке упомянутой проволоки исходили из следующих соображений. Как показывают исследования [32, 33, 81], отдели­мость шлаковой корки ухудшается при содержании в шлаке окис­лов ванадия, вольфрама, молибдена, хрома (в больших количест­вах) и других специальных элементов, содержащихся в высоколе­гированных сталях. Следовательно, при сварке в защитных газах, где шлак образуется главным образом в результате окислительных процессов, происходящих в капле электродного металла, основ­ным способом улучшения отделимости шлаковой корки может быть применение проволоки такого химического состава, при котором исключается окисление указанных элементов.

Известный закон последовательного (преимущественного) окис­ления составляющих металла [58] позволяет сделать вывод о том, что исключить или уменьшить окисление хрома, молибдена, вана­дия и вольфрама можно в том случае, если в содержащий их сплав ввести элемент, обладающий большим (по сравнению с ними) срод­ством к кислороду. При выборе такого элемента необходимо учи­тывать возможность его применения в производстве металла.

Сродство химических элементов к кислороду зависит от темпе­ратуры. Поэтому выбирать необходимый раскислитель следует по
его активности в области температур жидкого металла сварочной ванны и его капель в столбе дуги, а также температур в момент сосуществования закристаллизовавшегося металла шва и жидкого шлака, которые, как показали проведенные автором с А. Д. Стре - товнчем исследования, составляют 1200—1500° С.

О степени химического сродства элемента к кислороду можно судить по упругости диссоциации его окисла или по изменению изобарноизотермического (термодинамического) потенциала реак­ции между этим элементом и кислородом по сравнению с реакцией окисления железа. Чем ниже упругость диссоциации или чем больше

снижение термодинамического потенциала, тем выше раскислительная способность элемента.

На рис. 92 приведена [95] зависимость термодинамического потенциала образова­ния окислов элементов-раскислителей, ко­торые могут быть введены в сварочную про­волоку и получены при сварке ею в метал­ле шва, от температуры. Штриховкой вы­делена область температур, при которых затвердевший металл покрыт жидким шла­ком. Как видно из рисунка, в этой области температур, а также при температурах, при которых металл сварочной ванны находится в жидком состоянии, наименьший термо­динамический потенциал (наибольшую его убыль) имеют окислы циркония. Следова­тельно, цирконий является элементом, ко­торый из всех практически возможных составляющих металла шва в условиях сварки обладает на­ибольшим сродством к кислороду. Это означает, что цирконий может наиболее эффективно предотвратить окисление хрома, мо­либдена, ванадия и вольфрама при сварке в защитных газах слож­нолегированной аустенитной проволокой и, следовательно, улуч­шить отделимость шлаковой корки, а тем самым и предотвратить образование шлаковых включений в многослойном шве.

Применение проволоки X25H25M3Zr, разработанной исходя из указанных соображений, действительно позволяет предотвра­тить образование шлаковых включений, которые неизбежно возни­кают при сварке проволокой подобного состава без циркония. Ска­занное можно проиллюстрировать рис. 93, на котором приведены макрошлифы швов, выполненных проволокой Х25Н25МЗ с цирко­нием и без него.

Исходя из установленного механизма образования шлаковых включений в многослойном аустенитном шве при сварке в защитны^ газах, автором совместно с А. Д. Стретовичем предложен способ предотвращения появления этих включений и в том случае, если сварка производится существующими проволоками. Сущность этого
способа заключается в полном проплавлении всей ширины преды­дущего слоя при наложении последующего и хорошем формирова­нии наплавляемого металла. Это означает, что для надежного пред-

а б

Рис. 93. Макрошлифы поперечного сечения многослойного шва, выпол­ненного проволокой Х25Н25МЗ с цирконием (а) и без него (б).

отвращения образования шлаковых включений сварку в защитных газах многослойных швов аустенитной проволокой необходимо выполнять без раскладки слоев.

Одним из способов сварки многослой­ных швов без раскладки является сварка в узкую разделку. Такой способ сварки уже неоднократно анализировался, напри­мер с целью выяснения возможности повы­шения производительности сварочных ра­бот [12, 116]. Исследования автора с

А. Д. Стретовичем показали, что при узкой разделке многослойные аустенитные швы, выполняемые сваркой в защитных газах любой существующей проволокой, можно получить без шлаковых включений (рис. 94).

Однако здесь есть определенные ограниче­ния. Этот способ позволяет получить ка­чественные швы лишь при некоторой, за­висимой от используемого режима, тол­щине свариваемого металла или глубине разделки. При увеличении толщины сва­риваемого металла его кромки должны разделываться так, чтобы угол разделки получился минимально возможным. В про­тивном случае в верхней части шва могут бьггь непровары. Сле­дует отметить, что при чрезмерно малом угле разделки кро­мок в нижней части шва возникают трещины из-за того, что. здесь может быть узкий и глубокий так называемый О-образный,
провар, при котором образовавшийся слой склонен к появлению в нем кристаллизационных трещин.

Вторым способом сварки многослойных швов без раскладки слоев может быть сварка с поперечным колебанием электрода. Такой метод давно известен в практике ручной сварки. В некоторых случаях он применяется и при механизированной сварке.

Опыт использования механизированной сварки с поперечным ко­лебанием электрода показывает, что условием качественного ее выполнения является соблюдение определенного соотношения меж­ду амплитудой и частотой колебания. Увеличение амплитуды коле­баний и снижение их частоты могут привести к образованию зигзагообразных швов. С увели­чением частоты колебаний форма шва становится пилообразной (зубцы по краям), а затем — ров­ной. При слишком большом уве­личении частоты колебания элек­трода по краям шва появляются подрезы. Должно выполняться также определенное соотноше­ние частоты колебаний электро­да и скорости сварки. Увеличе­ние скорости сварки и снижение частоты колебаний электрода приводит к образованию шва с неровными краями. Для устра­нения этого дефекта необходимо увеличить частоту колебаний электрода.

Для механизированной сварки с поперечным колебанием элект­рода необходимо применять специальный механизм, осуществляю­щий эти колебания. В настоящее время известно несколько типов механизмов, предназначенных для колебания электрода. Большин­ство из них настраиваются на нужную амплитуду только перед сваркой и изменить ее в процессе сварки невозможно. Есть и такие колебатели, амплитуду у которых можно изменить вручную, не прекращая процесс сварки.

Автором с А. Д. Стретовичем разработан специальный колеба - тель, с помощью которого требуемая амплитуда колебания электро­да устанавливается автоматически и изменяется без прекращения процесса [37]. Отличительной особенностью предложенного механи­зма является и то, что он позволяет осуществить непрерывную свар­ку многослойного шва, автоматически изменить при этом не только амплитуду колебания электрода, но и его подърм от сШж к слою. Последняя операция необходима при сварке кольцевых швов, особенно в изделиях небольших диаметров.

Проведенные автором с сотрудниками исследования подтверди­

ли, что применение поперечного колебания электрода позволяет получить многослойные швы без шлаковых включений при сварке в защитных газах любой аустенитной проволокой. На рис. 95 при­веден характерный вид макрошлифа шва, получаемого в таком со­единении. При использовании поперечных колебаний электрода заслуживает внимания и тот факт, что даже в случае сварки в ар­гоне получается хорошая форма усиления и, как следствие этого, хорошее формирование шва. В связи с этим можно полагать, что при наличии требуемых хорошо отработанных колебателей приме­нение поперечного колебания электрода может стать основным способом предотвращения шлаковых включений в многослойном шве при сварке в защитных газах аустенитной проволокой. Осно­ванием для такого утверждения может быть и то, что разработан­ная с использованием поперечного колебания электрода техноло­гия многослойной сварки в аргоне аустенитной проволокой, содер­жащей молибден [38], уже длительное время успешно применяется промышленностью.