ТЕОРИЯ сварочных процессов

Защитные газовые атмосферы при сварке плавлением

Идея газовой защиты зоны сварки была предложена еще

Н. Н. Бенардосом в одном из его изобретений, но реально вопло­тилась в технологический процесс в конце 40-х годов XX в., когда появилась необходимость сварки активных металлов, та­ких, как алюминий и его сплавы, а позднее — титан и его сплавы.

Для защиты зоны сварки стали применяться инертные га­зы — аргон и гелий. Был разработан процесс аргоно-дуговой сварки и соответствующее сварочное оборудование для автома­тической и механизированной сварки плавящимся и неплавящим­ся электродами. Для сварки чистой меди оказалось возможным применять азот высокой чистоты, так как медь не дает с ним сое­динений, устойчивых в условиях дуговой сварки.

Однако для сварки низкоуглеродистых низколегированных сталей применять дорогие и дефицитные инертные газы было экономически нецелесообразно, поэтому был разработан метод сварки в углекислом газе, который может быть легко получен в любом количестве и в баллонах доставлен к месту сварки.

Разработка метода сварки в струе углекислого газа с при­менением специальных электродных проволок (Св10Г2С) ока­залась решением важной народнохозяйственной задачи и была отмечена Государственной премией (ИЭС им. Е. О. Патона, ЦНИИТмаш и МВТУ им. Н. Э. Баумана).

В настоящее время этот процесс сварки получил очень широкое применение при изготовлении конструкций низкоуглеро­дистых низколегированных, среднелегированных и высоколегиро­ванных сталей при высоком качестве сварных соединений. В последние годы разработаны способы газовой защиты с приме­нением различных газовых смесей (Аг + Не, Ar + Ог, Аг + ССЬ, СО2 + О2 и др.), что расширяет сварочно-технологические и ме­таллургические возможности данного метода сварки. По объему применения сварка в С02 составляет 90%, в аргоне — 9% и в смесях газов — 1%.

К газовой защите можно также отнести вакуум, который ис­пользуется при электронно-лучевой сварке (ЭЛС) высокоактив­ных металлов (титан, цирконий, молибден и т. д.).

СВАРКА В СТРУЕ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА

Сварку в струе углекислого газа осуществляют с помо­щью специальной сварочной головки, перемещающей сварочный инструмент и подающей в зону сварки электродную проволоку: Схема сварочной головки представлена на рис. 10.11. С помо-

щью сопла создается поток углекислого газа, омывающий зону дугового разряда и от­тесняющий из зоны сварки воздушную атмосферу (N2, Ог)-

Сварку можно вести в ав­томатическом или полуавтома­тическом режиме. В последнем случае сварочный инструмент перемещается рукой сварщика, а электродная проволока по­дается по гибкому шлангу с помощью отдельно установлен­ного механизма к соплу сва­рочного инструмента Механи­зированная сварка в СОг на-

SHAPE * MERGEFORMAT

шла широкое применение при проведении сварочных работ в судостроении, в строительстве, когда невозможно использовать сварочные автоматы

Углекислый газ (СОг) обладает молекулярной массой 44 и плотностью 1,96 кг/м3, поэтому он хорошо оттесняет воздух, плотность которого ниже (1,29 кг/м3) Поставляется углекислый газ в баллонах или контейнерах, где он находится в жидком состоянии, так как критические параметры газа следующие: Гжр=304 К, Ркр= 7,887 МПа.

Для сварки применяют газ с пониженным содержанием вред­ных примесей — кислорода, азота, оксида углерода, влаги в соответствии с ГОСТ 8050—74

Качество сварных швов зависит не только от чистоты С02, но и от его расхода и характера истечения из сопла инструмен­та Защитный газ должен вытекать из сопла под небольшим дав­лением, обеспечивающим спокойный (ламинарный) характер истечения. Такое важное требование выполняется, если расход газа составляет примерно 8 12 л/мин. Турбулентный (с завих­рениями) характер истечения газового потока ухудшает качество защиты сварочной зоны вследствие возможного подсоса воздуха в эту зону

Характер истечения защитной струи газа определяется гео­метрическими параметрами сопла сварочного инструмента. Уста­новлены оптимальные соотношения между диаметром сопла и длиной его цилиндрической части, требования к форме сопла и то расстояние, на котором оно должно находиться от сваривае­мого изделия, и некоторые другие параметры конструкции инструмента [23].

Металлургические процессы при сварке сталей в струе С02. В п. 9 5 мы ознакомились с системой С—О, а в п. 9 3 — с воз­можными реакциями между железом, С02 и СО, теперь необ­ходимо рассмотреть развитие этих процессов в условиях сварки сталей в струе С02

Углекислый газ в области высо­ких температур диссоциирует на СО и Ог На этот процесс расходу­ется часть тепловой энергии и дуго­вого разряда

2CCW2C0 + 02-Q.

Зависимость равновесия процес­са диссоциации от температуры бы­ла приведена на рис. 9.25.

В условиях высоких и быстро - меняющихся температур при сварке состав продуктов диссоциации С02 в разных точках дугового разряда будет изменяться.

На рис. 10 12 приведена схема­тическая диаграмма распределения температур и концентрации газов вдоль оси сварного шва при движе­нии СВарОЧНОЙ ГОЛОВКИ С ПОСТОЯННОЙ СКОРОСТЬЮ Г»св

В точке О на оси столба дуги происходят резкое повы­шение температуры и диссоциация С02. С каплями электродно­го металла, проходящими через дуговой промежуток, будет со­прикасаться атмосфера, состоящая из 66,6% СО и 33,3% 02. По отношению к металлу она окислительная

2Fe + CW2FeO.

Но в то же время большая концентрация СО будет тормозить этот процесс и, кроме того, задерживать окисление углерода стали:

[Fe3C] + [FeO] 5=±4Fe + СО t.

Наличие в атмосфере дуги значительного количества кисло­рода требует дополнительного легирования сварочной проволоки кремнием (около 1%) и марганцем (около 2%). Поэтому для сварки низкоуглеродистых сталей применяют специальные сва­рочные проволоки (СвОЭГС, Св08Г2С).

Легирующие добавки с каплями электродного металла ра­створяются в жидком металле сварочной ванны и задерживают окисление железа.

Диссоциация паров воды, поступившей из-за повышенной влажности С02, тоже будет тормозиться вследствие высокой концентрации кислорода, полученного при диссоциации С02:

2Н20<=^2Н2 -|- 02.

На участках, удаленных от оси столба дуги, будет происхо­дить рекомбинация молекул С02 с большим выделением тепло­

вой энергии, которая раньше расходовалась на диссоциацию газа (около 30% электрической мощности дуги):

2СО + 02«=е2С02 + Q.

Отбор теплоты на диссоциацию газа по оси дуги и его выделе­ние при обратном процессе на периферических участках дуго­вого разряда влияет на глубину проплавления и ширину шва. По сравнению с дугой, горящей в аргоне, при сварке в СОг первый параметр увеличивается, а второй уменьшается, что приходится учитывать технологам.

Газовая атмосфера на участках, удаленных от оси столба дуги, будет обогащаться С02 и водород, образовавшийся при диссоциации паров воды, будет связываться в молекулы Н20:

Нг - Г СОг^НгО - J - СО.

Таким образом, при сварке в струе углекислого газа ме­талл поглощает водород в меньших количествах, чем при других видах сварки.

В среднем при сварке низкоуглеродистых низколегированных сталей в С02 содержание водорода в наплавленном металле колеблется от 0,5 до 2 • 10-5 м3/кг.

По отношению к металлу атмосфера будет по-прежнему окис­лительной, но раскислители кремний и марганец, введенные в сварочную ванну с помощью электродной проволоки, будут свя­зывать кислород, растворенный в металле:

[FeO] + [Мп] *±Fe+ (MnO)t;

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

В хвостовой части сварочной ванны шлак всплывает на по­верхность металла, но обычно его недостаточно, чтобы соз­дать сплошной защитный слой на поверхности шва.

Металл, наплавленный при сварке в струе С02, чище по шлаковым включениям, и поэтому его пластические свойства несколько выше, чем при сварке под слоем флюса.

При сварке легированных сталей необходимо использовать специальные сварочные проволоки, содержащие раскислители (марганец и кремний) — Св08ГС, Св08Г2С, СвО,7ГС, которые предохраняют от окисления легирующие добавки свариваемого металла (защитный газ С02 — сильный окислитель). Подробно металлургические особенности процесса сварки в углекислом газе рассматриваются в работе [18].

В качестве активного защитного газа можно применять также перегретый водяной пар, который является самой дешевой защитной средой (Л. С. Сапиро). Однако в этом случае металл будет поглощать большое количество водорода:

Н20 +Fe->[FeO] +Н2;

Поглощая водород, металл резко ухудшает свои пластиче­ские свойства, но они восстанавливаются после термической обработки или даже просто при «вылеживании», так как диффу­зионно-подвижный водород покидает металл с течением времени. Метод нашел ограниченное применение для сварки неответствен­ных изделий из низкоуглеродистых низколегированных сталей.

МЕТАЛЛУРГИЯ ГАЗОПЛАМЕННОЙ СВАРКИ

Особый случай сварки металлов в активных газах — авто­генная сварка, в которой источником теплоты является ядро пламени горелки, а сварка происходит в атмосфере продуктов сгорания ацетилена в кислороде. В качестве горючих газов используются также смеси различных газообразных или жидких углеводородов. В п. 8.7 были рассмотрены основные характерис­тики пламени: температуры самовоспламенения и предельные составы газовых смесей, температуры пламени, а также было введено понятие объемного коэффициента ($:

определяющего окислительную или восстановительную характе­ристику пламени.

При значении Р<1 пламя получает восстановительный ха­рактер и при сварке сталей сварочная ванна начинает погло­щать углерод или в виде активных центров, не прореагировавших в пламени (С*; СН* и т. д.), или в результате реакций кар­бидообразования:

3Fe + 2CO=p±[Fe3C] +С02.

При значении коэффициента р = ]...],2 в результате реакции С2Н2 + 02s=>2C0 + Н2

получается так называемое «нор­мальное» пламя.

Состав продуктов реакции и тем­пература пламени меняется в зави­симости от его длины, а вследствие подсоса кислорода из окружающей среды происходит догорание СО и Н2 — эта часть пламени носит на­звание ореола. Примерная зависи­мость температуры пламени от рас­стояния х от среза сопла горелки приведена на рис. 10.13. Состав пламени в зоне сварки имеет также восстановительный характер, и плавление металла для образования сварочной ванны идет без заметно­го окисления (см. гл. 9). Однако в
отдельных случаях для рафинирования металла сварочной ванны используют флюсы.

Так, при сварке медных сплавов, и особенно латуней, применя­ют флюс, представляющий собой азеотропный раствор триметил - бората В(ОСНз)зв метаноле СНзОН. Эта легколетучая жидкость подается в пламя горелки инжекцией вместе с ацетиленом и, сгорая, образует В2О3, который закрывает тонкой жидкой плен­кой зеркало сварочной ванны, извлекает из нее оксиды меди и замедляет испарение цинка. Можно применять и твердые флюсы, нанося их на кромки свариваемого металла. Такие флюсы содержат бораты, фосфаты и галиды щелочных метал­лов.

При сварке сталей флюсы обычно не применяют, а восста­новительная атмосфера продуктов сгорания задается регули­ровкой пламени.

При значении коэффициента f?^>l сварка не ведется, но это пламя используется при разделительной резке металла. Процесс резки стали идет в две стадии:

1) металл разогревается пламенем ацетилено-кислородной горелки до температуры воспламенения металла в струе кисло­рода. Эта температура для малоуглеродистой стали 1623К.. Температура воспламенения повышается с увеличением содержа­ния углерода. Одно из условий развития разделительной резки — температура воспламенения должна быть ниже температуры плавления,

2) металл режется струей кислорода, вытекающей из горелки, и продукты горения выносятся струей кислорода в полость реза. Высокая температура при резке стали практически исклю­чает образование Fe203 (см. гл. 9), и в продуктах окисления, выносящихся из полости реза, обнаруживаются FeO, Fe304 и несгоревшее железо в примерно таком соотношении: 20% Fe, 30%FeO, 50% Fe304. Теплота сгорания железа весьма значи­тельна и составляет около 70% от общего баланса теплоты, значительно превышая теплоту от подогревающего пламени горелки. Это позволяет применять вместо ацетилена другие горючие газы: пропан, пропан-бутановую смесь и др Резка сталей и чугунов с большим содержанием углерода затруднена тем, что углерод повышает температуру воспламенения железа и одновременно понижает температуру плавления, т. е. нарушает условие резания (см. выше).

Также мешают разделительной резке кремний и хром, обра­зующие вязкие шлаки, с трудом удаляющиеся из полости реза. В этих случаях применяют кислородно-флюсовую резку, при ко­торой в струю режущего кислорода подается железный порошок. Он повышает температуру в области реза и снижает концентра­цию мешающих элементов. Этим методом, который был разрабо­тан Г. Б. Евсеевым в МВТУ им. Н. Э. Баумана, можно резать и неметаллические материалы (бетон, шлак).

Аргон и гелий не образуют химических соединений с метал­лами. Точно так же азот не взаимодействует с некоторыми металлами — медью, кобальтом и др. Поэтому процессы окисле­ния, азотирования, наводораживания, а также растворения га­зов и вредных примесей в сварочной ванне связаны с несо­вершенством газовой защиты зоны сварки и проникновением в нее атмосферного воздуха. Кроме этого, наличие даже неболь­ших концентраций вредных примесей в инертных газах, окис­ленных поверхностных слоев на кромках металла и сварочной проволоки, способствует образованию оксидов, нитридов и дру­гих соединений, заметно снижающих физико-механические свойства сварных соединений.

Сварочное оборудование для автоматической и механизиро­ванной сварки в инертных газах по конструкции и принципу действия напоминает оборудование для сварки в СОг Сварку в струе аргона или гелия можно вести плавящимся электродом (сварочная проволока, совпадающая по составу с основным металлом) или неплавящимся вольфрамовым электродом. В последнем случае, если необходимо подать присадочный металл, его подают непосредственно в ванну автоматическим устройством с заданной скоростью. В этом случае отсутствует перегрев металла в каплях при прохождении дугового проме­жутка. Сварка неплавящимся электродом (W) применяется при изготовлении ответственных изделий из химически активных или редких металлов (Ті, Zr, Nb и др.).

Наиболее широкое применение находят неплавящиеся W - электроды из лантанированного (добавки оксида лантана до 2%) и итрированного (добавки оксида иттрия до 2%) вольфра­ма в виде прутков диаметром от I до 4 мм (марки соответствен­но BJI-2 и ВЛ-10, СВИ-1).

Аргон Аг имеет атомную массу 39,94 и плотность, равную 1,783 кг/м3, что значительно превышает плотность воздуха и обеспечивает хорошую защиту. Гелий имеет атомную массу 4, а плотность его равна 0,178 кг/м3 и организовать хорошую защиту в струе гелия труднее, чем в аргоне. Чистота аргона, поставляемого для сварки, достаточно высока и определяется марками А, Б, В и Г (ГОСТ 10157—79). В зависимости от марки аргона в нем содержится различное количество вредных при­месей (НгО, СОг, N2, Ог). Это необходимо учитывать при сварке различных легированных сталей или цветных сплавов, содержа­щих те или иные легирующие добавки.

Для сварки химически активных металлов (Ті, Zr, Nb и др.) употребляется аргон марки А (99,98% чистоты), для сварки алюминиевых и магниевых сплавов—аргон марки Б (99,95% чистоты), для сварки аустенитных сталей— аргон марок В и Г (99,9 и 95...97% соответственно). Для повышения чистоты при­меняемого аргона его следует пропустить через аппарат, содер­жащий стружку титана, нагретую до 770 К, в котором развива­ются следующие реакции:

ЗТі + 2Н20—ТЮ2 + 2ТіН2;

Ті -)- 02 -► Ті02 ;•

2Ti-t-N2—2TiN.

Таким образом, можно удалить из аргона следы влаги, кисло­рода и азота. Дуговой разряд горит в струе аргона или гелия очень устойчиво и при меньших напряжениях на дуге по сравне­нию с С02. Это происходит потому, что инертные газы одноатом - ны и не расходуется энергия на их диссоциацию, а проводимость дугового промежутка обеспечивается парами свариваемого металла.

Металлургические процессы при сварке в инертных газах.

Наиболее употребительный защитный инертный газ — аргон, так как он значительно дешевле, чем гелий, а также обладает лучшими защитными свойствами.

Сварку сталей осуществляют обычно под флюсом, в С02, но бывают случаи, когда целесообразно применить аргонно-дуговую сварку, — например для упрочненных средне - или высоколегиро­ванных сталей.

Низкоуглеродистые низколегированные стали, особенно кипя­щие, склонны к пористости вследствие окисления углерода:

[Fe3C] + [FeO] ^4Fe + CO. (10.4)

Этот процесс идет за счет кислорода, накопленного в сталях во время их выплавки, но может возникать за счет примесей к аргону марок В и Г, за счет влажности газа и содержащегося в нем кислорода.

Для подавления этой реакции в сварочной ванне нужно иметь достаточное количество раскислителей (Si, Мп, Ті), т. е. использовать сварочные проволоки Св08ГС или Св08Г2С. Мож­но снизить пористость путем добавки к Аг до 5% 02, который, вызывая интенсивное кипение сварочной ванны, способствует удалению газов до начала кристаллизации. Добавка кисло­рода к аргону снижает также критическое значение свароч­ного тока, при котором осуществляется переход от крупнока­пельного переноса металла в дуге к струйному, что повышает ка­чество сварки.

Среднелегированные углеродистые стали обычно содержат в своем составе достаточное количество активных легирующих компонентов для подавления пористости, вызываемой окислением углерода. Это обеспечивает плотную структуру шва, а состав металла шва соответствует основному металлу, если электродные проволоки имеют также близкий состав.

Аустенитные коррозионно-стойкие и жаропрочные стали (12Х18Н10Т и т. д.) хорошо свариваются в среде аргона как плавящимся, так и неплавящимся электродами. При сварке

этих сталей обычно не требуется каких-либо дополнительных мероприятий, но аустенитно-мартенситные стали очень чувстви­тельны к влиянию водорода, который их сильно охрупчивает и дает замедленное разрушение в виде холодных трещин. В этих случаях требуется осушка аргона или добавка к нему многова­лентных фторидов (SiF,|), которые связывают водород в ат­мосфере дуги и уменьшают поглощение водорода металлом.

Сварка алюминиевых и магниевых сплавов требует уже аргона повышенной чистоты (марок А или Б), а также тщатель­ной разработки технологии подготовки свариваемых кромок и электродной проволоки из-за опасности появления пористости сварных соединений. Это определяется физико-химическими свойствами металлов.

Сварка алюминия и его сплавов (АМгб, Д80 и т. д.) затруд­нена наличием оксидных пленок AI2O3 с температурой плавления около 2300 К - Оксиды алюминия способствуют образованию пор в металле шва и снижают стабильность горения дугового разряда при сварке вольфрамовым электродом на переменном токе. Кратко отметим физико-химические особенности этих процессов при сварке н те мероприятия, которые необходимо осуществить в целях предотвращения их отрицательного влияния на качество сварки.

Оксид AI2O3 может гидратироваться, 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 зачищают металл и обезжиривают. Электродная проволока подвергается травлению и механической зачистке. Наилучшим способом под­готовки электродной или присадочной проволоки является элек­трохимическая полировка (Г. Д. Никифоров). Обработанная проволока должна храниться в герметичной таре. Для снижения пористости рекомендуется дополнительная осушка аргона.

Основной металл тоже следует контролировать на содержание водорода, так как при сварке он может диффундировать к линии сплавления и образовывать поры.

Добавление к аргону хлора, фтора или летучих фторидов (TiF, i) снижает пористость, но повышает токсичность процесса.

Оксид алюминия оказывает также отрицательное влияние на стабильность горения сварочной дуги при сварке на переменном токе вследствие существенного различия физических условий для эмиссии электронов с вольфрама и алюминия при смене поляр­ности (физические особенности дуги на переменном токе подроб­но рассмотрены в разд. I). Для сварки алюминиевых сплавов на переменном токе используют специальные источники питания, которые позволяют устранить вредное влияние на стабильность горения дуги постоянной составляющей (металлургия сварки подробно рассмотрена в работе [16]).

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 А120з.

Основные дефекты при сварке алюминиевых и магниевых сплавов — пористость и наличие оксидных включений в металле шва, так как оксиды А120з и MgO обладают большей плотностью, чем жидкий металл, и не растворяются в нем.

Сварка титана и его сплавов (ВТ1; ВТ5; ВТ 15; ОТ4) чрез­вычайно осложнена исключительной химической активностью титана. Титан реагирует с кислородом, азотом, углеродом, водородом, и наличие этих соединений приводит к резкой потере пластичности металла сварного соединения.

Особенно титан чувствителен к водороду, с которым он образует гидриды TiH2; TiHi,75 разлагающиеся при высокой температуре, а при кристаллизации образуются игольчатые кристаллы, которые нарушают связь между металлическими зернами титана (замедленное разрушение).

Для сварки необходимо контролировать содержание водорода в титане. Для ответственных конструкций массовая доля не должна превышать 0,006...0,004%. Содержание других примесей может быть выше: 02—0,15%, N2—0,05%.

Для сварки употребляется аргон марки А, прошедший допол­нительную очистку (см. гл. 9). Предпочтительно сварку вести неплавящимся электродом (W), тщательно организуя газовую защиту сварочной зоны. Для сварки титана надо защищать не только саму ванну, но и весь металл, нагретый до температуры 773 К, т. е. необходимо создавать атмосферу аргона перед дугой и обдувать аргоном кристаллизующийся и остывающий шов. Кроме того, аргон подают снизу для защиты обратной поверх­ности свариваемого изделия (обратная сторона шва).

Сварку особо ответственных конструкций и изделий выполня­ют в камерах с контролируемой атмосферой. В этом случае изделие помещают в камеру, целиком заполненную аргоном, и весь процесс ведут с помощью манипуляторов. В редких случаях создают «обитаемые» камеры, в которых оператор работает в скафандре и с кислородной маской. В камерах получаются хоро­шие результаты, так как воздушная атмосфера вытеснена пол­ностью продувкой аргоном.

При сварке меди и ее сплавов получение качественного шва — без пор, с требуемыми физическими свойствами — весьма затруднительно. Это связано с наличием в исходном металле закиси меди и высокой склонности меди к поглощению водорода. Возможна сварка меди и ее сплавов в защитных газах — аргоне и гелии, а также в азоте, который по отношению к этому металлу является инертным газом. Сварку ведут неплавящимися элек­тродами — вольфрамовым и угольным (не для всех марок меди) на постоянном токе прямой полярности с подачей присадочной проволоки.

Аргонно-дуговая сварка меди осуществляется с применением специального флюса, содержащего в качестве раскислителей ферромарганец, ферросилиций, феррофосфор, ферротитан. В тех случаях, когда к наплавленному металлу предъявляются повы­шенные требования, в качестве раскислителей используют ред­коземельные металлы. Флюс наносят на присадочную проволоку или в канавку на подкладке под корень шва.

При сварке меди применяют также смеси аргона с азотом [(20...30%) N2], что повышает тепловую мощность сварочной ду­ги, а также аргона с гелием.

В том случае, когда в качестве защитного газа используют азот, особые требования предъявляются к его чистоте по отно­шению к кислороду. Эта вредная примесь может повысить окисленность металла шва и существенно снизить стойкость вольфрамового электрода.

Медь и ее сплавы можно сваривать в азоте угольным элек­тродом на графитовой или асбестовой подкладке. Оптимальные условия азотно-дуговой сварки меди разработаны во ВНИИ - автогенмаше.