ТЕОРИЯ сварочных процессов

Особенности сварки различных сталей и сплавов в инертных газах

Сварку стальных деталей малой толщины осуществляют обыч­но аргонодуговой сваркой неплавящимся W-электродом с приса­дочной проволокой, что обеспечивает наиболее высокое качество сварных соединений. Спецификой сварки не полностью раскис­ленных низкоуглеродистых сталей, особенно кипящих, является получение металла шва со склонностью к пористости вследствие окисления углерода содержащейся в стали закисью железа и выде­ления СО из ванны по реакции

[Fe3C] + [FeO] <=> 4Fe + СО, (10.24)

которая идет за счет кислорода, накопленного в сталях во время их выплавки, но может возникнуть при наличии примесей к аргону, а также за счет влажности газа и содержащегося в нем кислорода.

Для подавления реакции (10.24) в сварочной ванне нужно иметь. достаточное количество раскислителей (Si, Мп, Ті), т. е. использо­вать сварочные проволоки Св-08ГС или Св-08Г2С (табл. 10.3).

Можно снизить пористость путем добавки к Аг до 5 % 02, который, вызывая интенсивное кипение сварочной ванны, способствует уда­лению СО до начала кристаллизации.

ния обеих частиц при равновесном распределении скоростей при-

нимают Q = 42nd2.

Длина свободного пробега частиц А зависит как от Q, так и от

• 3 „

п - концентрации частиц в 1 м. С одной стороны, определяя отно-

сительную долю площади, занятой частицей, через слой газа еди­ничной площади толщиной dx (рис. 2.8), получим вероятность

Рис. 2.8. Прохождение частиц через тонкий слой газа: а - вид сбоку; б - фронтальный вид

соударения на длине cbс, равную nQ dx /1. С другой стороны, веро­ятность столкновения частиц при малом dx соответствует отноше­нию толщины слоя dx к длине свободного пробега А и равна dx/A. Следовательно, dx/A = nQdx/l, откуда

где v - скорость частиц.

Оказывается, что для молекул газокинетическое сечение Q ма­ло зависит от их энергии (прій высоких температурах). В то же время, чем больше размеры частиц, тем меньше длина их свобод­ного пробега. Кроме того, согласно уравнению Клапейрона - Мен­делеева, длину свободного пробега можно выразить так:

Иногда в литературе эффективное сечение приведено не для

з

одной пары частиц, а для 1 м газа. Тогда его обозначают S и счи­тают, что

S=nQ.

Наличие сил кулоновского взаимодействия между электронами и ионами делает их соударения в плазме значительно более слож­ными, чем соударения нейтральных частиц в газе. Вместо зигза­гообразной траектории броуновского движения молекул траекто­рия заряженной частицы становится извилистой (более сглажен­ной), соответствующей изменениям (флуктуациям) электрического поля в плазме. Поэтому в плазме, вообще говоря, следует учиты­вать все возможные эффективные сечения при соударениях:

ион - атом.................................... Qia (перезарядка)

ион - ион Qa (сечение Гвоздовера)

электрон - атом......................... Qea (сечение Рамзауэра)

электрон - ион Qei (прилипание или захват электрона)

электрон - электрон................. Qee

Тогда для к сортов частиц длина свободного пробега электрона

YjnkQek

к

Однако практически в сварочных дугах достаточно учитывать ТОЛЬКО эффективное сечение Qea ИЛИ Qe = Qea + Qei, так как дру­гие эффективные сечения сравнительно малы.

Упругие столкновения электронов с нейтральными атомами должны быть описаны с позиций квантовой механики. Полное ре­шение квантово-механической задачи удается получить лишь для простейших атомов - атомов водорода и гелия. Для более слож­ных атомов обычно используют экспериментальные данные. В большинстве случаев наибольшее эффективное сечение Qea имеет

Среднелегированные стали содержат в своем составе доста­точное количество активных легирующих компонентов для подав­ления пористости, вызываемой окислением углерода. При сварке W-электродом в среде аргона уровень водорода, вызывающего об­разование водородных пор, незначителен. Поэтому главное вни­мание обращают на формирование благоприятной схемы кристал­лизации. Это обеспечивает плотную структуру шва, а состав металла шва соответствует составу основного металла, если при­садочные проволоки близки к нему по составу. Для увеличения глубины проплавления применяют активирующие флюс-пасты на основе CaF2, наносимые на кромки перед сваркой.

Аустенитные коррозионно-стойкие и жаропрочные стали марок 12Х18Н10Т, Х23Н18 и др., сваривают в среде аргона неплавящимся электродом с присадочным материалом, обеспечивающим 4...6 %

Feg в шве для предотвращения образования горячих трещин. Ау - стенитно-мартенситные стали очень чувствительны к влиянию во­дорода, который сильно охрупчивает металл шва и обусловливает его замедленное разрушение в виде холодных трещин. В этих слу­чаях требуется осушка аргона или добавка к нему многовалентных

фторидов SiF4, которые связывают водород в атмосфере дуги и уменьшают поглощение водорода металлом.

Сварку стальных конструкций повышенной толщины (от 10 до 20 мм) выполняют более производительным плавящимся электро­дом на постоянном токе обратной полярности. При этом в аргон

добавляют 20 % СО2 или 5 % О2 либо их тройные смеси с целью обеспечения мелкокапельного переноса. Капли металла окисляют­ся с поверхности, что снижает поверхностное натяжение и ускоря­ет их отрыв. В сварочной ванне оксиды металла восстанавливают­ся раскислителями, введенными в состав электродного металла. Добавка кислорода к аргону позволяет также снизить критическое значение сварочного тока, при котором обеспечивается мелкока­пельный или струйный перенос капель в ванну.

При сварке цветных сплавов на основе Al, Mg, Ті и Си требу­ется аргон повышенной чистоты, а также тщательная подготовка свариваемых кромок, присадочной и электродной проволоки вследствие опасности появления пористости сварных соединений. Это определяется физико-химическими свойствами металлов.

Сложность металлургических процессов сварки алюминия и его сплавов (Al-Mg, Al-Cu и др.) в защитных газах неплавящимся и плавящимся электродами обусловлена наличием оксидных пленок

AI2O3 с температурой плавления около 2300 К. Оксиды алюминия способствуют образованию пор в металле шва и снижают пластич­ность шва. Оксид AI2O3 может гидратироваться, т. е. соединяться с парами воды, и при попадании в сварочную ванну он будет обога­щать ее водородом, что приведет к пористости в сварном соедине­нии. Поэтому перед сваркой кромки изделия травят в щелочных растворах, механически защищают металл и обезжиривают. Элек­тродная проволока подвергается травлению и механической зачист­ке. Наилучшим способом подготовки электродной или присадочной проволоки является электрохимическая полировка. Полированная проволока может долго храниться в кассетах с плотной рядовой на­моткой и не требует никакой предсварочной обработки.

Основным способом очистки сварочной ванны от оксидов является катодное распыление. Для этого свариваемый металл должен быть катодом, который бомбардируется положительными ионами - парами свариваемого металла, разрушающими пленки оксидов. Чтобы не перегревать анод (W-электрод), применяют пе­ременный ток. Очистка от оксидов в каждом полупериоде сменя­ется полупериодом ослабления нагрева вольфрама.

Рассмотрим наиболее производительный способ очистки свароч­ной ванны, используемый при сварке плавящимся электродом. При этом применяют постоянный ток обратной полярности, т. е. с непре­рывной катодной очисткой ванны от оксидов. Главным этапом получения качественного шва является стадия капли, когда опреде­ляется степень насыщения металла водородом. Чем крупнее капля, тем дольше она находится в столбе дуги, а затем создает короткое. замыкание дуги и нагревается до температур, близких к температуре кипения (Г > 2100 К). При этом капля теряет большую долю леги­рующих элементов (по данным А. Я. Ищенко, в сплаве АМгб содер­жание магния снижается до 3...4 %) и насыщается водородом из зо­ны столба дуги. Поэтому интенсивно разрабатываются процессы управляемого мелкокапельного переноса путем принудительного отрыва капли жидкого металла от электрода на основе пинч - эффекта. В связи с этим весьма эффективна импульсно-дуговая сварка плавящимся электродом на постоянном токе обратной поляр­ности с частотой импульсов 200.. .300 Гц.

Сварка магниевых сплавов (МА2, МА8, МА2-1) в основном похожа на сварку алюминиевых сплавов, но оксид MgO, состав­ляющий основную часть поверхностного слоя, менее прочно свя­зан с металлом и не обладает такими защитными свойствами, как

ai2o3.

Основные дефекты при сварке алюминиевых и магниевых сплавов - пористость и наличие оксидных включений в металле шва. Оксиды AI2O3 и MgO обладают большей плотностью, чем жидкий металл, не растворяются в сварочной ванне и не всплыва­ют на ее поверхность.

Металлургические процессы сварки титана и его сплавов чрез­вычайно осложнены исключительной химической активностью ти­тана. Титан и его наиболее распространенные сплавы (ВТ1, ВТ5, ВТ 15, ОТ4) реагируют с кислородом, азотом, углеродом, водоро­дом. Наличие этих соединений приводит к резкой потере пластич­ности металла сварного шва. Титан особенно чувствителен к водо­роду, с которым он образует гидриды ТІН2 и ТІН175, разлагаю­щиеся при высокой температуре, а при кристаллизации образующие игольчатые кристаллы, которые нарушают связь между метал­лическими зернами титана, вызывая склонность швов к замедлен­ному разрушению. Перед сваркой необходимо контролировать содержание водорода в титане. Для ответственных конструкций массовая доля водорода не должна превышать 0,006 %. Содер­жание других компонентов воздуха может быть выше: 0,15 % О2, 0,05 % N2.

Для сварки употребляется аргон высшего сорта, прошедший дополнительную очистку. Сварку предпочтительно вести вольф­рамовым электродом с применением флюс-паст на основе CaF2, для сжатия дуги и увеличения глубины проплавления. При сварке титана защищают не только сварочную ванну, но и весь шов до температуры «773 К, т. е. необходимо создавать зону аргона перед дугой и обдувать аргоном кристаллизующийся и остывающий шов. Кроме того, аргон следует подавать снизу шва для защиты обратной стороны шва.

Сварку особо ответственных конструкций и изделий выполня­ют в камерах с контролируемой атмосферой. В этом случае изде­лие помещают в камеру, заполненную аргоном; сварку выполняют с помощью манипуляторов. В отдельных случаях создают «оби­таемые» камеры, в которых сварщик работает в скафандре, соеди­ненном с внешней средой гибкими шлангами.

Трудности при сварке меди и ее сплавов в защитных газах обу­словлены наличием в исходном металле закиси меди С112О, ее об­разованием при сварке, а также высокой растворимостью водорода в шве. Для получения качественного шва (без пор), сохраняющего уникальные физические свойства - высокую электропроводность и
теплопроводность, сварку меди и ее сплавов выполняют в инерт­ных защитных газах: аргоне, гелии и их смесях, а также в чистом азоте, который по отношению к меди проявляет свойства инертно­го газа. Сварку ведут неплавящимися электродами - вольфрамо­вым и угольным (не для всех марок меди) - на постоянном токе прямой полярности с подачей присадочной проволоки, а также - плавящимся электродом. Кроме того, аргонодуговую сварку меди осуществляют с применением специальной флюс-пасты, содержа­щей раскислители: ферромарганец, ферросилиций, феррофосфор, ферротитан и редкоземельные элементы. Флюс наносят на приса­дочную проволоку или в канавку на подкладке под корень шва.

В том случае, когда в качестве защитного газа используют азот, особые требования предъявляют к его чистоте по отношению к кислороду. Он может повысить окисленность металла шва и су­щественно снизить стойкость вольфрамового электрода. Более эффективен угольный электрод в азоте. Он создает дополнитель­ную защиту в виде СО. Медь и ее сплавы можно сваривать в азоте угольным электродом на графитовой или асбестовой подкладке.