ТЕОРИЯ сварочных процессов

Принципы выбора состава флюсов для сварки сталей и сплавов. Флюсы для сварки низкоуглеродистых сталей

При сварке низкоуглеродистых сталей (СтЗсп, сталь 20) необ­ходимо сохранить углерод - единственный упрочнитель. Для этого Применяют кислые флюсы и электродные проволоки двух систем.

В отечественной практике применяют высокомарганцовистый

флюс - силикат (MnO + Si02) в сочетании с низкоуглеродистой проволокой Св-08А или Св-08АА (по ГОСТ 2246-70). В зарубеж­ной практике применяют безмарганцевый высококремнистый флюс в сочетании с высокомарганцовистой проволокой. Общим в обеих практиках являются легирование капли и сварочной ванны кремнием за счет кремневосстановительного процесса и легирова­ние металла сворочной ванны марганцем через флюс или проволо­ку. Реакция в капле имеет вид

2 [Fe] + (Si02)^ [Si] + 2[FeO]. (10.7)

Для кипящих сталей, практически не содержащих Si, она имеет особо важное значение, так как только при содержании кремния в жидкой сварочной ванне не ниже 0,2 % можно предотвратить в сварочной ванне реакцию окисления углерода (см. пример 8.9)

[С] + [0] = С0. (10.8)

Ввод кремния позволяет сохранить прочность шва и одновре­менно исключить образование пор при выделении из сварочной ванны оксида углерода СО. К повышению содержания Si приводит и реакция его восстановления марганцем. Кроме того, наличие в каплях и сварочной ванне при высоких температурах значительно­го количества FeO по реакциям (10.7) и

Fe + МпО <=> Мп + FeO (10.9)

способствует обогащению ванны кислородом, который связывает водород и препятствует образованию других (водородных) пор в результате реакции

[FeO] + Н2 <=± (Н20) + Fe>K. (10.10)

При отсутствии кремния углерод выгорает, причем весьма ин­тенсивно при высоких температурах, а также в конце кристаллиза­ции, когда все примеси и углерод ликвируют в последние порции жидкой фазы и его концентрация повышается. Эта реакция экзо­термическая и согласно принципу подвижного равновесия должна развиваться и при понижении температуры.

Наряду с защитой углерода и железа кислые флюсы обеспечи­вают легирование металла шва элементами Si и Мп. Кислые флю­сы способствуют рафинированию сварочной ванны с помощью Мп и МпО, связывающих серу в тугоплавкие соединения (МпО выво­дит серу в шлак).

Наибольшее распространение получили плавленные флюсы АН-348А, ОСЦ-45, ФЦ-6, ФЦ-3, ФЦ-9, АН-60, TA. St.10, а также керамические АНК-25, FB-106, SPSMn-35/ЮО. Их химический со­став приведен в табл. 10.1.

Флюсы ОСЦ-45, АН-348 применяются более 50 лет. Они

имеют высокие сварочно-технологические свойства, но сваренные

с их применением швы содержат много дисперсных силикатных

включений и имеют ограниченную ударную вязкость {KCU < 2

< 100 Дж/см для образцов с U-образным надрезом при нормаль­ной температуре).

Флюсы для сварки низколегированных сталей. Низколеги­рованные стали содержат в сумме не более 5 % легирующих эле­
ментов, причем содержание каждого из них не превышает 2 % (10ХСНД, 09Г2С, 16Г2АФ и др.).

Такие стали являются металлургически законченными продук­тами, т. е. в них прошли все реакции раскисления, легирования, мо­дифицирования и рафинирования. Основная задача при их сварке сводится к сохранению их механических свойств путем защиты сва­рочной ванны от влияния атмосферы и взаимодействия с флюсом. При выборе флюсов следует руководствоваться установленными предельно низкими значениями коэффициента химической активно­сти флюса в зависимости от эквивалента углерода при сохранении

высокого уровня ударной вязкости металла шва в исходном, т. е. без

2

термической обработки, состоянии (KCV > 100 Дж/см ).

Из диаграммы на рис. 10.8 следует, что чем больше легирующих элементов содержит свариваемая сталь, тем ниже должны быть со­держание О2 и коэффициент химиче­ской активности флюса. Однако при этом ухудшаются сварочно-технологи­ческие свойства. Более высокие техно­логические свойства обеспечивают ак­тивные флюсы (Лф= 0,6...0,3), которые применяются для сварки сталей средней прочности (ов< 600 МПа).

Сюда относятся плавленые флюсы на базе шлаковой системы СаО-МпО - - СаБг-АІгОз-БіОг следующих марок:

ФЦ-11, ФЦ-15, ФЦ-16, ФЦ-22, АН-15,

АН-42, АН-43, АН-47, FB-10, FB-20,

ФВТ-1, F-202 и F-302. Их температура плавления составляет 1573... 1623 К.

Применяют и керамические флюсы АНК-47, АНК-44, АНК-30, АНК-57,

FC-60, FC-40. Они обеспечивают уро-

2

вень ударной вязкости до 200 Дж/см при 293 К и рекомендуются для сварки конструкций, работающих в условиях Крайнего Севера.

Флюсы для сварки среднелегированных сталей. Среднеле­гированные стали содержат от 5 до 10 % легирующих элементов.

К ним относятся стали марок ЗОХГСНА, Х5М, 18ХН4МДА, 15ХНМФА, 30Х4НМФА и другие, имеющие наиболее высокие механические свойства (ав до 1800 МПа). Поэтому их называют также высокопрочными. Такие стали применяют в специальном судостроении, для изготовления корпусов атомных реакторов и т. п. Как правило, они содержат до 0,30 % углерода наряду с дру­гими легирующими элементами. Основные проблемы при сварке высокопрочных сталей заключаются в том, чтобы исключить об­разование горячих и холодных трещин, предотвратить загрязнение серой, фосфором и другими элементами и сохранить химический состав сталей, а следовательно, и их свойства. Для решения этих проблем применяют флюсы, содержащие в качестве основы СаО и

CaF2, что позволяет понизить уровень водорода в зоне сваривания, уменьшить его химическую активность, усилить рафинирующее действие (очистить швы от серы и фосфора).

Для сварки сталей рассматриваемой группы рекомендуются

малоактивные (Аф = 0,3...0,1) и пассивные (Аф < 0,1) флюсы. К ним относятся флюсы АН-15, АН-15М, АВ-5 и ABSM2 входящие в шлаковую систему Ca0-CaF2-Al203-Si02.

Более сложные шлаковые системы имеют флюсы АН-45, АН - 17М и ФИМС-20П. Эти флюсы, в частности АН-17М и НФ-18М, обеспечивают снижение содержания в шве диффузионного водоро­да до 3 см /100 г, что позволяет использовать их для сварки высо­копрочных сталей, склонных к закалочно-водородным (холодным трещинам). Флюс НФ-18М применяют для сварки среднелегиро­ванных сталей типа 15ХНМФА в атомном машиностроении.

Флюсы для сварки высоколегированных коррозионно - стойких сталей. При сварке таких сталей решают две главные за­дачи: 1) сохранение коррозионной стойкости в зонах шва и терми­ческого влияния; 2) предотвращение образования горячих трещин. Решение первой задачи требует однородности швов и снижения до минимума содержание углерода, серы, фосфора, оксидов в струк­туре швов, а второй - требует сохранения ферритной фазы Fes - Противоречивость этих требований разрешают на компромиссной основе, а также дифференциацией сталей по температуре эксплуа­тации и требуемому уровню коррозионной стойкости. Применяют

пассивные флюсы на основе Са0-АІ20з-Сар2, с добавкой SiC>2 < < 10 % для улучшения отделяемое™ шлаковой корки. Однако доля

Si02 определяется тем, что весь Si02 должен быть связан в ком­плексы основными окислами.

Подавлению кремневосстановительного процесса также спо­собствует ввод во флюс оксидов железа (SPS/375, ОФ-6). Кроме СаО и CaF2 флюсы этого назначения содержат MgO, Zr02, ТЮ2, т. е. оксиды с повышенной термостойкостью, не выделяющие ки­слород по механизму диссоциации. Для сохранения в шве хрома Сг - главного элемента, обеспечивающего коррозионную стой­кость, в состав флюсов (например, ФЦ-19, ФЦ-17, F-624) вводят его оксид Сг2Оз, что по закону распределения препятствует окис­лению хрома в ванне.

Для подавления вредного влияния серы и фосфора во флюсах (например F-624) должно содержаться много МпО (8... 11%), очи­щенного от фосфора и серы. К таким флюсам относятся плавленые флюсы ОФ-6М, ОФ-6, F-624, F-402, АН-26С, АН-18, ФЦ-17, ФЦ-19. Возможно также применение керамических флюсов, изготовленных из порошков: СаО, CaF2, MgO, ферросплавов (раскислителей и ле­гирующих элементов, скрепленных жидким стеклом). К ним отно­сятся керамические флюсы SPS/375, АНК-45, ФЦК и ФЦК-С.

Флюсы для сварки никеля и его сплавов. Основные пробле­мы сварки этих сплавов связаны с их большой чувствительностью к вредным примесям серы и фосфора, растворенным газам, которые вызывают образование пор и горячих трещин. Поэтому активные плавленые флюсы непригодны для сварки никеля НП-1, НП-2 и его сплавов типа ХН77ТЮ. Положительные результаты получены при дуговой сварке под фторидным и высокоосновным флюсом АНФ-5 на базе CaF2-NaF, имеющим температуру плавления 1223... 1423 К и оказывающим модифицирующее действие натрием. Эффективен также флюс ИМЕТФ на базе CaF2-BaCl2 с добавками фторидов NaF

и SrF2. Флюс АНФ-22 позволяет легировать шов бором до 0,6 %, что предотвращает образование горячих трещин.

Возможно применение керамических флюсов ФЦК, а также ЖН-1, который легирует металл шва элементами Мп, Ті и А1 и обеспечивает его раскисление, рафинирование и модифицирование.

Флюсы для сварки меди и медных сплавов. Главное досто­инство меди - сочетание хорошей электропроводности, теплопро­водности и высокой коррозионной стойкости. Сохранение чистоты меди в швах необходимо для обеспечения указанного комплекса ее свойств.

При окислении меди образуется С112О, не растворимый в твер­дой меди, но растворимый в жидкой меди с образованием эвтекти­ки при 0,39 % О2. При кристаллизации С112О происходят следую­щие реакции:

CU2O + Н2= 2Cu + Н2О; CU2O + СО = 2Cu + СО2.

Отсюда следует, что образование паров воды и углекислого газа, которые не могут выделиться из металла диффузионным путем, может привести к образованию пор и трещин («водородная бо­лезнь» меди).

Вследствие малой химической активности меди и ряда ее спла­вов при сварке применяют следующие стандартные плавленые флюсы: ОСЦ-45, АН-348, АН-60, ФЦ-10, АН-26, АН-22, АН-20, разработанные для сварки сталей. При сварке меди под рассмот­ренными выше активными плавлеными флюсами возможно проте­кание реакций типа (FeO) + 2Cu = [С112О] + Fe. В результате этих

реакций возникают другие оксиды: MnO, Si02, AI2O3. Поэтому для сохранения в шве чистоты меди применяют низкокремнистые флю­сы АН-20 с содержанием Si02 <21 %, а также специальные флюсы для меди АНМ-1, АНМ-2 и электродную проволоку из бескисло­родной меди Ml или МБ. Для сварки листов меди большой тол­щины применяется флюс АН-26.

Если допустимо снижение электропроводности и теплопро­водности меди, то применяют бронзовую проволоку БрХ07 и др., которые обеспечивают равнопрочность металла шва с основным металлом.

Для сварки латуней (Си + Zn) применяют флюсы АН-20, АНФ-5 и МАТИ-53, ФУ-10. Для сварки меди применяют также специаль­ные керамические флюсы ЖМ-1 и К-13МВТУ. Шлаковая система флюса ЖМ-1 включает: Ca0-Si02~Al203-CaF2 с добавкой рас­кислителей: углерода и буры (Ыа2В40з • MgO). Роль углерода со­стоит в превращении окислителя СО2 в газовой среде в восстано­вительный газ СО по реакции С + СО2 = 2СО.

Флюсы для сварки титана и сплавов на его основе. Титан обладает весьма высокой химической активностью и при нагрева­нии активно взаимодействует с О2, N2, Н2, С. Основная проблема свариваемости Ті и его сплавов связана с получением пластичных сварных соединений. Потеря пластичности - результат отрицатель-
ного влияния растворенных газов, примесей и структурных превра­щений, поскольку титан обладает полиморфизмом. Окисление ти­тана начинается при нагреве выше 700 К. До этой температуры он защищен оксидно-нитридной пленкой, которая имеет аналогичную структуру и прочно удерживается на поверхности. Совместное дей­ствие кислорода, углерода и азота на свойства металла шва опреде­ляют эквивалентом кислорода

[0]экв = [О] + 2[N] + 2/3[С], (10.13)

который входит в формулу для определения твердости

НВ = 40 + 310[0]экв. (10.14)

Главное требование, предъявляемое к флюсам - надежная защи­та от воздуха и загрязнений компонентами шлака. Этому требова­нию удовлетворяют бескислородные флюсы на основе фторидов и хлоридов щелочных и щелочно-земельных металлов: АНТ-1, АНТ-3 (см. табл. 10.1), а также АНТ-5 и АНТ-7 (последний применяется для сварки деталей толщиной до 40 мм при большой силе тока). Однако ударная вязкость швов при сварке под флюсом не достигает значений, получаемых при сварке в аргоне неплавящимся электро­дом. Более эффективна комбинированная флюсогазовая защита.

Флюсы для сварки алюминия и его сплавов. Плавленые флюсы для сварки алюминия состоят из хлоридов и фторидов ще­лочных и щелочно-земельных металлов. Вследствие высокой электропроводности расплавленный флюс АН-А1 и другие шунти­руют дугу, что препятствует ее устойчивому горению. Сварка ве­дется по слою флюса полуоткрытой дугой.

% Для сварки самых распространенных алюминиевых сплавов, легированных магнием, флюсы АН-А1 и УФОК-А1 непригодны, так как натрий из флюса частично восстанавливается магнием и поступает в шов, вызывая образование пор, горячих трещин и снижая пластичность металла. Для сварки этих сплавов применя­ют флюсы МАТИ-10 и 48-АФ-1 на основе ВаСІ2-КС1. Керамиче­ские флюсы для сварки алюминия (например, ЖА-64) позволяют выполнять сварку закрытой дугой. Они содержат повышенное ко­личество криолита, снижающего электропроводность расплава.