Металлургические процессы при сварке толстопокрытыми электродами
Обновлено: 14.05.2024
крытия практически одновременно идут процессы формирования сварочной ванны, ее газовой и шлаковой защиты от насыщения азотом, а также от окисления кислородом воздуха. Затем идут процессы нейтрализации водорода, раскисления, легирования и модифицирования, рафинирования жидкого металла, его кристаллизации, связывания продуктов всех реакций в шлаковую фазу и отделения шлаковой корки. Однако в разных типах покрытия указанные процессы осуществляются по различным физикохимическим реакциям.
Сварка электродами с рудно-кислым покрытием (А). Рудно-кислые покрытия создают значительное количество газов (СО2,
СО, Н2, Н2О) в результате разложения и окисления крахмала или органических компонентов, что и обеспечивает хорошую защиту от атмосферного воздуха. Кроме того, при нагреве Fe203 выделяется кислород, связывающий водород в нерастворимый пар Н2О. Однако для противодействия окислению металла кислородом, выделяющимся из гематита Fe203, в покрытия этого типа требуется ввести значительное количество раскислителей, главным образом ферромарганца. Так, в электродах ЦМ-7 содержится до 33 % гематита и около 30 % ферромарганца, что достаточно для восста
Рис. 10.20. Зависимость ударной вязкости от температуры испытания шва при сварке электродом с основным (кривая 1) и рудно-кислым (кривая 2) покрытиями
новления почти всего гематита. При вводе большого количества раскислителей образуется много продуктов раскисления - оксидов. Часть из них не выходит из шва и создает неметаллические включения, снижающие ударную вязкость и пластичность швов (рис. 10.20).
Окислительно-восстановительные процессы при сварке этими электродами можно описать следующими уравнениями реакций:
(Fe203) + Mn = (МпО) + 2[FeO];
[Мп] + [FeO] = (МпО) + Fe;
(Si02) + 2Мп = 2(МпО) + [Si].
Первая реакция экзотермична и выделяет значительное количество теплоты. За счет восстановления железа из покрытия коэффициент наплавки увеличивается до 10. 12 г / (А-ч). В последнее время этот принцип экзотермичности покрытия был применен для создания электродов, не требующих при сварке электрического тока. В них усилен эффект «бенгальских огней» путем ввода в покрытие соединений алюминия, магния и др., применяемых при термитной сварке.
Сварка электродами с рутиловым покрытием (Р). Иначе организованы те же процессы при сварке электродами с рутиловым
покрытием Р. Газовую защиту образует СО и СО2 при распаде кар
боната MgC03, а также СО, СН и Н2 при распаде декстрина. Связывание водорода в ОН путем окисления выполняют диссоциирующие СО2, рутил И полевой шпат, СОСТОЯЩИЙ преимущественно ИЗ Si02. Шлаковую защиту создает ТЮ2 и Si02 (из полевого шпата).
Рутил является слабым окислителем. Он не полностью диссоциирует (ТІО2 = ТІО + О), выделяя мало кислорода и сохраняя форму шлака (ТЮ). Раскислителем в этом покрытии служит FeSi. Электроды с покрытием такого типа обладают высокими технологическими свойствами - обеспечивают достаточную устойчивость горения дуги на переменном токе, хорошее формирование шва и отделяемость шлаковой корки, возможность сварки в любом пространственном положении шва. Рутиловые электроды малотоксичные и обеспечивают высокие механические свойства наплавленного металла.
Сварка электродами с основным покрытием (Б). В основном электродном покрытии типа Б газообразующим является
СаСОз, окислителями - СО2 и Si02, раскислителями - FeTi и FeSi,
а рафинирующим элементом - СаО. Одновременно СаО, CaF2 и
Si02 создают шлак, связывающий продукты раскисления.
Газовую защиту зоны сварки осуществляет СО2 вследствие разложения мрамора СаСОз. Образующийся оксид кальция СаО, не способный к диссоциации в зоне дуги, не выделяет О2 и уходит на образование шлаковой системы основного типа CaO-CaF2- Атмосфера сварочной дуги преимущественно состоит из СО, СО2 и
Н2О в виде паров воды, выделяющихся из покрытия. Чтобы снизить уровень водяного пара и водорода в зоне сварки, эти электроды перед сваркой необходимо прокаливать при высокой температуре: 600. 790 К (до 840 К). Водород, попадающий в дугу из атмосферы, связывается фтором в не растворимое в металле соединение HF.
Покрытие содержит несколько раскислителей, что позволяет получить мало окисленный и хорошо восстановленный металл с
малым содержанием Н2 (табл. 10.6). Поэтому электроды с таким покрытием называют низководородными. Присутствующий в шлаке оксид СаО хорошо рафинирует металл, что снижает склонность к образованию горячих и холодных трещин.
Таблица 10,6. Массовые доли включений, %, при использовании для сварки сталей электродов с различным типом покрытия
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Для дуговой резки металлическим электродом используют толстопокрытые электроды , обычно те же, что и для сварки. Род тока зависит от марки электрода. С увеличением толщины металла скорость резко уменьшается. Для резки угольными или графитовыми электродами используют постоянный ток прямой полярности, так как в этом случае на изделии выделяется больше теплоты. Науглероживание кромок реза затрудняет их последующую механическую резку. [31]
Различают голые, тонко - и толстопокрытые электроды . Электродную проволоку без покрытия применяют только при выполнении работ на сварочных автоматах. Электроды с тонким слоем покрытия ( до 0 1 - 0 2 мм на сторону стержня), которое обеспечивает лишь стабилизацию горения дуги, применяют при изготовлении неответственных конструкций. Наиболее широко при ручной сварке применяют электроды с качественными защитными или защитно-легирующими покрытиями, которые имеют специально подобранный состав и наносятся толстым слоем ( не менее 0 5 мм) на электродные стержни. [32]
Различают голые, тонко - и толстопокрытые электроды . Электродную проволоку без покрытия применяют только при выполнении работ на сварочных автоматах. Электроды с тонким слоем покрытия ( до 0 1 - 0 2 мм на сторону стержня), которое обеспечивает лишь устойчивость горения дуги, применяют при изготовлении неответственных конструкций. Наиболее широко при ручной сварке применяют электроды с качественными защитными или защитноле-гирующими покрытиями, которые имеют специально подобранный состав и наносятся толстым слоем ( не менее 0 5 мм) на электродные стержни. [33]
При сварке электродами с покрытиями ( толстопокрытыми электродами ) под действием дуги плавится и частично переходит в газообразное состояние не только металл электрода, но и покрытие. При этом обычно плавление покрытия несколько отстает от плавления электродного стержня, образуя чехольчик ( рис. V.20), В этом случае капли, пересекающие дуговой промежуток, могут быть как крупными, сопоставимыми с диаметром электродного стержня, так и мелкими. [35]
В результате сварной шов, выполненный толстопокрытым электродом , имеет прочность не ниже основного металла. [36]
Pgoa - Rz если соединение выполнено встык толстопокрытыми электродами с подваркой корня шва или встык тонкопокрытыми электродами, но с усилением стыковых швов накладками, обеспечивающими расчетную равно - прочность соединения целому сечению. [37]
При дуговой сварке для этой цели применяются толстопокрытые электроды во всех ответственных случаях сварки. [39]
Основные операции, составляющие технологический процесс изготовления толстопокрытых электродов ; что характеризует коэффициент покрытия. [40]
Особенно тщательно следует очищать шлак при сварке толстопокрытыми электродами , которые дают большее количество шлака, чем тонкопокрытые. При наплавке второго слоя валики укладывают поперек валиков первого слоя. [42]
Для получения качественного шва подварочный шов должен выполняться качественными толстопокрытыми электродами . Толщина подварочного шва должна быть не менее / з толщины свариваемых листов, но не более б - 8 мм. [44]
Торопить женщину - то же самое, что пытаться ускорить загрузку компьютера. Программа все равно должна выполнить все очевидно необходимые действия и еще многое такое, что всегда остается сокрытым от вашего понимания. Законы Мерфи (еще. )
Толстопокрытый электрод
Толстопокрытые электроды со специальной ( толстой) обмазкой применяют для получения сварных швов с высокими механическими свойствами. Такое покрытие электродов обеспечивает устойчивое горение дуги, хорошее формирование шва, надежную защиту ванночки жидкого металла от кислорода и азота воздуха и медленное охлаждение сварного шва за счет жидкого шлака, покрывающего расплавленный металл. [1]
Различают тонкопокрытые и толстопокрытые электроды . [2]
Применением соответствующих толстопокрытых электродов обеспечивается равнопрочность сварного соединения с основным ( свариваемым) металлом. [3]
При использовании толстопокрытого электрода под действием тепла дуги плавится как электродный стержень, так и электродное покрытие, причем последнее расплавляется с некоторым отставанием, образуя на торце электрода чехольчик ( фиг. Нагрев и сгорание покрытия более интенсивно происходят изнутри; поэтому у торца стержня образуется значительное количество газов, объем которых увеличивается при нагревании. [4]
Коэффициент плавления толстопокрытых электродов значительно уменьшается по сравнению с коэффициентом голых и тонкопокрытых электродов за счет того, что некоторое количество тепла дуги расходуется на плавление, испарение и разложение покрытия, но прямой зависимости аэ рт толщины покрытия нет. [5]
При сварке толстопокрытыми электродами количество кислорода, попадающего в атмосферу дуги из окружающего воздуха, незначительно и расплавленный металл окисляется преимущественно водяным паром и углекислым газом, образующимися при нагреве и расплавлении покрытия. Состав газов в атмосфере дуги зависит и от режима сварки. [6]
При сварке толстопокрытым электродом на больших токах наблюдается преимущественно мелкокапельный перенос металла с редкими замыканиями дугового промежутка. В этом случае величина поверхностного натяжения металла капель снижается как за счет наличия поверхностно-активных веществ в шлаке, так и вследствие более высокой температуры капель. Силы отрыва нарастают интенсивнее и появляется дополнительная сила Nr. Активно развивающиеся процессы газообразования могут преждевременно дробить каплю. [8]
Ручную дуговую сварку толстопокрытыми электродами выполняют на постоянном токе обратной полярности. [10]
При ручной сварке толстопокрытыми электродами , ванно-шлако-ковой сварке должен быть предусмотрен отсос газов непосредственно вблизи дуги. Как правило, следует применять низкотоксичные ру-тиловые электроды. Во избежание повышенного выделения аэрозоля и газов, особенно при сварке с антикоррозионными покрытиями, запрещается превышать установленную силу сварочного тока. [11]
Ручная дуговая сварка плавящимися толстопокрытыми электродами имеет наибольший объем применения из всех дуговых способов сварки. Схема процесса сварки приведена на рис. 182, а. Питание дуги осуществляется от сварочного генератора или выпрямителя постоянным током или от сварочного трансформатора - переменным током. Наиболее широкое применение находит постоянный ток. Состав покрытия при расплавлении вместе со стержнем обеспечивает защиту от окисления и азотирования металла шва и определенное легирование наплавленного металла для придания ему необходимых механических свойств, а также придает устойчивость горению дуги. [12]
Для современных режимов сварки толстопокрытыми электродами более характерен первый вид переноса. [13]
Сварной шов, выполненный толстопокрытыми электродами на малоуглеродистой стали имеет значительно лучшую структуру. Столбчатость первичной кристаллизации в нем выражена менее резко, нитридные включения отсутствуют, кислородных включений почти нет, распределение зерен феррита и перлита более равномерное при мелкозернистой структуре. [14]
При ручной дуговой сварке толстопокрытыми электродами , ванно-шлаковой сварке и механизированной сварке под флюсом и открытой дугой должен быть предусмотрен отсос газов непосредственно вблизи дуги. [15]
Перенос электродного металла в сварочную ванну
Характер переноса электродного металла в сварочную ванну существенно влияет на степень развития физико-химических процессов при взаимодействии металлической, шлаковой и газовой фаз, а также на устойчивость самого процесса сварки.
В зависимости от типа сварочной ванны наблюдается перенос электродного металла через газовую или шлаковую среду. Механизм переноса в обоих случаях имеет свои особенности.
Электродный металл переносится через газовую среду в виде капель разного размера, диаметром от 6 – 7 до тысячных долей миллиметра, а также в виде паров.
В процессе сварки одновременно образуются капли различных размеров, но в зависимости от условий сварки преобладает той или иной размер.
Главные формы переноса: крупнокапельный и мелкокапельный с короткими замыканиями дугового промежутка, капельный – без коротких замыканий, струйный, а также перенос металла в виде паров.
Процесс переноса электродного металла исследуется при помощи скоростной киносъемки дуги.
Механизм переноса включает следующие моменты.
а,б – образование капли на торце электрода;
в – появление шейки на стыке жидкого металла с твердым металлом электрода;
г – замыкание каплей дугового промежутка;
д – разрыв образованного мостика и возникновение дуги.
В период формирования капли на нее действуют ряд главных сил, способствующих или препятствующих ее отрыву от торца электрода: сила тяжести P, электродинамические силы Nэд, сила поверхностного натяжения Nпн.
1) сила тяжести P способствует отрыву капель при сварке в нижнем положении и противодействует отрыву при потолочной сварке;
2) электродинамические силы Nэд являются результатом наличия вокруг электрода при протекании по нему тока магнитного силового поля, оказывающее сжимающее действие на электрод (пинг?-эффект);
Электродинамические силы возникают в результате одновременного действия таких сил:
а) Усилия сжатия Nсж, величина которых зависит от тока и определяется
Nсж = 5.1×10 -6 ×I 2 ,
где I – сварочный ток, А.
Силы Nсж направлены ^ к оси электрода, но по закону Паскаля одновременно действуют такие же силы, направленные вдоль оси;
б) Дополнительной продольной силы Nдоп, возникающей одновременно с образованием шейки и направленной от меньшего сечения капли, имеющего радиус z0, к большему, с радиусом z1.
Результирующая электродинамическая сила Nэд, направленная вдоль оси электрода в сторону ванны,
При замыкании каплей дугового промежутка, когда напряжение падает, а ток резко возрастает, сила Nэд также интенсивно увеличивается, но оказывается направленной от центра мостика вверх и вниз. Действующая вниз сила эд будет больше той, которая направлена вверх - эд, так как поверхность ванны значительно больше, чем сечение электрода, а значит >> .
Поэтому электродинамическая сила действует в направлении отрыва капли. Она деформирует каплю, вытягивает ее и заставляет перемещаться вперед, вдоль оси дуги – в сварочную ванну. Особенно значительна роль этой силы при повышенных токах.
3) сила поверхностного Nпн в процессе формирования капли удерживает ее на торце электрода. При замыкании каплей дугового промежутка поверхностное натяжение металла вытягивает каплю и тем способствует отрыву ее от торца.
В условиях сварки толстопокрытым электродом к главным силам, действующим на каплю, добавляются сила давления газового потока и сила реакции газов, выделяющихся из капли Nрг. При этом плавление обмазки несколько отстает от плавления стержня, и на торце электрода появляется своеобразная «трубка». Выделяющиеся по «трубкой» газы (CO2,H2,CO,O2 и др.) нагреваются, расширяются и устремляются в виде прямолинейного потока к сварочной ванне (рис. а.). Сила давления газового потока Nгп, стремящаяся оторвать каплю от электрода, является вместе с тем одной из причин образования кратера в сварочной ванне. Так как газовый поток в рассматриваемом случае симметричен относительно оси столба, капля формируется в центре торцевой поверхности электрода.
Сила реакции газов, выделяющихся из капли, связана с развитием процессов газообразования в самой капле. Установлено, что при плавлении электрода выделяется в среднем около 10 см 3 газа на 1 см 3 жидкого металла. При автоматической сварке под флюсом на каплю действуют те же силы, но несколько меняются направление и величина некоторых их них (рис. Б.).
Вследствие наклонного положения столба дуги результирующая электродинамическая сила Nэд направлена по продольной оси дуги, в сторону ванны. Под действием этой силы капля сильно деформируется и вытягивается. Газовый поток здесь направлен несимметрично относительно оси дуги, а от передней части сварочной ванны – назад. Сила давления газового потока Nгп, суммируясь с силой реакции газов, выделяющихся из капли, Nрг, создает результирующую силу воздействия газовых потоков Nгп, под давлением которой происходит отклонение капли в сторону давления газовых потоков: большая часть капель после отрыва от электрода летит в потоке жидкого флюса, ограничивающего зону сварки, к задней части ванны.
После установления схемы действия на формирующуюся каплю различных сил можно выяснить факторы, влияющие на ее размеры.
Размер капли определяется соотношением сил, удерживающих ее на торце электрода, и сил, стремящихся ее оторвать.
В процессе формирования капли главной силой, удерживающей ее на электроде, является сила поверхностного натяжения.
На величину поверхностного натяжения металла капли влияют:
1) удельное поверхностное натяжение электродного металла при температуре плавления;
2) наличие поверхностно-активных веществ, находящихся в соприкосновении с жидким металлом;
3) температура поверхности капли.
Температура капель находится в пределах 2420 – 2770 К.
Температура ванны для низкоуглеродистой стали при сварке под флюсом 2040 100 и 2270 100.
Углекислые соли щелочных и щелочноземельных металлов, свободный кислород и др. обладают способностью заполнять свободные связи на поверхности жидкости и тем самым ослаблять связь поверхностных атомов и молекул жидкости между собой. При этом силы поверхностного натяжения резко уменьшаются. С увеличением температуры расплавления металла поверхностное натяжение также сильно снижается. Таким образом, присутствие поверхностно-активных веществ и увеличение сварочного тока понижает поверхностное натяжение капель и измельчает капли.
Увеличение I св. сильно влияет и на силы отрыва. С ростом I св. наблюдается:
1) интенсивное возрастание электродинамических сил Nэд;
2) увеличение силы давления газовых потоков Nгп, а также результирующей силы Nг;
3) нарастание процессов газообразования в капле и испарения.
Следовательно, увеличение I св. приводит к росту всех сил отрыва, а значит, к измельчению капель.
1) для сварки голым электродом на малых токах характерен преимущественно крупнокапельный перенос металла, с периодическими замыканиями каплей дугового промежутка;
2) при сварке толстопокрытым электродом на больших токах наблюдается преимущественно мелкокапельный перенос металла с редкими замыканиями дугового промежутка.
3) при сварке под флюсом наблюдается более мелкокапельный перенос металла, а также перенос в виде паров.
На размер переносимых капель влияет плотность тока.
Основное влияние на размеры капель и частоту их переноса оказывает сила тока.
При этом опорное пятно дуги охватывает боковую поверхность электрода, конец которого заостряется. Степень заострения тем больше, чем меньше теплопроводность металла стержня.
Резкое измельчение капель при струйном переносе можно объяснить прежде всего значительным уменьшением радиуса конца электрода и поверхности формирующейся капли и соответствующим уменьшением результирующей силы и поверхностного натяжения.
Повышение напряжения сварки вызывает уменьшение размера капель.
При некотором критическом значении тока капельная форма переноса переходит в струйную. При струйном переносе металла конец электрода заостряется в виде конуса. С вершины этого конуса срываются капли, образующие струю (в среде аргона). Переход от капельного переноса в струйный объясняется увеличением размеров столба, когда активное пятно охватывает боковую поверхность капли и появляются сжимающиеся силы, действующие совместно с электромагнитными. Тогда капля вытягивается в конус и возникает струйный перенос.
Размер переносимых капель оказывает существенное влияние на ход металлургических процессов. Чем мельче капли, тем больше суммарная поверхность соприкосновения их с окружающей средой, а значит, полнее взаимодействие с этой средой (растворение газов, процессы легирования, окисления).
Однако время существования капель уменьшается, а поэтому снижается и полнота протекания реакций. На развитие реакций в каплях особенно сильно сказывается увеличения напряжений на дуге. Увеличение напряжения уменьшает удельную поверхность капель, увеличивая время их существования на торце электрода.
Во время перехода через газовую среду капли частично или полностью покрываются оболочкой расплавленного шлака, в результате чего значительно активизируются реакции между жидким металлом и шлаком. Возможно также перемешивание металла со шлаком в результате бурного выделения газов.
При электрошлаковом процессе применяются большие плотности тока, чем при дуговой сварке (100 – 120 А/мм 2 ),поэтому нагрев электрода оказывается более интенсивным. Электрод, погруженный в шлаковую ванну плавится не только с торца, на и по всей боковой поверхности, поэтому конец его по мере плавления приобретает своеобразную заостренную форму. На каплю действуют те же силы.
На размер переносимых через шлак капель влияют величина тока, напряжение сварки, диаметр электродной проволоки, химический состав электродной проволоки и шлака.
Уменьшение I св. снижает температуру торца электрода и величину электродинамической силы, что приводит к укрупнению капель. Повышение напряжения сварки вызывает уменьшение размера капель.
1.2 Металлургические процессы при сварке
1.2.1 Газовая фаза в зоне сварки плавлением
При сварке плавлением наблюдается взаимодействие жидкого металла с окружающей газовой средой.
Физико-химические процессы, протекающие в газовой среде, оказывают большое влияние на качество сварки. К числу важнейших процессов относится диссоциация газов, их растворение в жидком металле, различные химические реакции в самой газовой среде и при ее взаимодействии с металлом.
1. Диссоциация газов
Высокая температура в зоне сварки создает условия для диссоциации многоатомных газов.
В настоящее время отрицательным считают тепловые эффекты реакций, протекающих с выделением теплоты ( Н < 0), и положительными – протекающих с поглощением теплоты ( Н >0).
Для экзотермической реакции тепловой эффект реакции Qp больше нуля, но так как энергия выделяется в результате уменьшения энтальпии , то Hp меньше нуля, но разность энтальпий H>0, так как поглощенная энергия увеличивает энтальпию системы.
Тепловой эффект реакции обозначается через H. В учебных пособиях по общей химии, изданных до 1967 г., использована противоположная система знаков. Тепловой эффект реакции обозначался через Q.
Процессы диссоциации газов сопровождаются поглощением тепла, т.е. являются эндотермическими, поэтому H>0.
H2 2 H; Δ Н = 435 кДж,
О2 20; Δ Н = 495 кДж,
N2 2 N; Δ Н = 712 кДж,
Молекула азота является самой прочной, т.к. энергия, затрачиваемая на диссоциацию молекулы, наиболее высокая. В одинаковых условиях азот должен диссоциировать меньше, чем кислород и водород.
Константа равновесия процесса диссоциации, например, для водорода, при постоянном давлении Р будет
Условия развития металлургических процессов. Влияние режима сварки
Как мы уже отметили выше, металлургические процессы при сварке протекают в условиях исключительно большого градиента температур, кратковременности и высокой степени перемешивания взаимодействующих фаз.
Условно взаимодействие между шлаком, газом и металлом делят на две стадии: ванны и капли. Такое деление подчёркивает различие термодинамических, температурных, временных, массовых и геометрических условий, в которых протекают процессы на этих стадиях и разную их зависимость от режима сварки.
На стадии капли имеет место наибольшая отдалённость от состояния равновесия, наивысшая температура металла (2000 – 2300 0 С) и максимальная
Относительная поверхность контакта металла со шлаком и газом (10 -2 – 10 -3 м 2 /кг).
Несмотря на кратковременность взаимодействия (0,01 – 0,8 сек) на стадии капли интенсивно проходит и практически полностью завершается легирование металла из покрытий электродов и из флюсов. На этой стадии наиболее значительны потери легирующих элементов от окисления кислородом газовой фазы и от испарения.
Стадия ванны характеризуется сравнительно невысокой температурой металла (1700-1800 0 С), на порядок меньшей относительной поверхностью контакта фаз. Несмотря на значительное время контакта металла с газом и шлаком (5-50 с), перечисленные выше процессы почти не получают развития на стадии ванны.
Если сварка выполняется в газах или с использованием химически активных флюсов, покрытий, то изменение режима сварки вызывает изменение химического состава наплавленного металла: весьма значительное – сварка в газах и под флюсом, менее сильное – сварка стержневыми толстопокрытыми электродами. В последнем случае режим сварки не влияет на относительную массу шлака, так как она предопределена толщиной покрытия.
Увеличение напряжения на дуге, уменьшение диаметра электродной проволоки, переход от сварки на прямой полярности постоянного тока к сварке на переменном токе и особенно к сварке на обратной полярности постоянного тока, уменьшение силы тока усиливает все процессы на стадии капли.
Указанные изменения параметров режима дуговой сварки в струе СО2 ведут к возрастанию потерь металла от окисления. При сварке под легирующими флюсами это ведёт к усилению перехода легирующих элементов из флюса в металл. Во всех случаях сварки открытой дугой из-за испарения усиливаются потери легкоиспаряющихся элементов. Существенно возрастает содержание в металле шва азота и во многих случаях водорода, поглощаемых из сварочного пространства жидким металлом.
Установлено, что наплавляемый металл и металл шва в значительной мере являются продуктом взаимодействия металла стержня электрода и металла шва с газами, покрытиями, флюсами и образующимися при плавлении покрытий и флюсов шлаками.
Шлаковая фаза.При сварке толстопокрытыми электродами, порошковой проволокой и с применением керамических флюсов шлаки образуются в результате плавления покрытий, флюсов. Летучие вещества переходят в газовую фазу, а чистые металлы частично растворяются в каплях электродного металла, а частично окисляются и переходят в шлак. Плавленые флюсы являются уже готовыми (синтетическими) шлаками.
В шлаках окислы основного типа (СаО, МnО и др.) и кислого (SiО2) частично связаны в комплексные соединения – силикаты: (МnО)2SiО2; (СаО)2SiО2 и т.п. Такие соединения не участвуют в химических реакциях. Химическая активность шлака определяется только содержанием свободных (активных) окислов. Их количество зависит не только от содержания тех или иных окислов, но и от соотношения количеств основных и кислых окислов. Химическая активность окислов в шлаке (активность шлака) приближённо может быть оценена по величине коэффициента основности:
В = Сао, % + МnО,% + МgО,% / SiО2,%, 4.2.
Основные шлаки (В≥2) богатые СаО, МnО хорошо очищают металл от серы и фосфора. При наличии к них МnО они активно легируют металл марганцем. Однако в основных шлаках активность кремнезёма SiО2 понижена; они слабо легируют металл кремнием и плохо удаляют из металла растворённый в нём кислород (закись железа).
Кислые шлаки (В«2), наоборот активно легируют шов кремнием, хорошо связывают закись железа благодаря образованию силикатов закиси (FеО)2 ·SiО2, но плохо очищают металл шва от серы и фосфора.
Газовая фаза.Состоит из паров металла, компонентов шлака, защитных газов, продуктов диссоциации сложных соединений.
Химическая активность газовой фазы по отношению к металлу определяется в первую очередь содержанием в ней свободного водорода, азота и кислорода.
Источниками насыщения водородом являются влага, введённые в покрытия органические соединения, имеющиеся на поверхности проволоки и свариваемых кромок ржавчина и масла.
Влага – неизбежный спутник сварочных материалов. Покрытия электродов, флюсы всегда содержат адсорбированную влагу. Допустимое количество такой влаги 0,1 – 0,3%. Поэтому перед применением указанные сварочные материалы – электроды и флюсы должны быть прокалены в муфельных печах при определенной температуре.
Азот в зону сварки попадает из воздуха. Растворенный в металле азот почти полностью остаётся в шве. Поэтому по содержанию азота в шве определяют качество газовой и шлаковой защиты от воздуха. По качеству защиты от воздуха сварка в защитных газах и сварка толстопокрытыми электродами равноценны. Качество защиты при дуговой сварке под флюсом и при ЭШС значительно выше.
Основным источником кислорода в газовой фазе (исключая сварку без защиты от воздуха) является непрочный газообразный окисел СО2, который диссоциирует в зоне дуги по схеме
2СО2 = 2СО + О2, 4.3.
Свободного кислорода в газовой фазе тем больше, чем больше в ней углекислого газа. На первом месте стоит сварка в СО2. Свободного кислорода в этом случае почти столько же, сколько его содержится в воздухе. По существу обдув дуги углекислым газом защищает металл только от взаимодействия с азотом воздуха.
Рассмотрим наиболее важные металлургические процессы.
1. Испарение металла – неизбежный процесс при сварке открытой дугой. Испарение приводит к потере металла, изменению его химического состава в результате преимущественного испарения летучих компонентов (марганца – в сталях; магния, свинца, цинка – в цветных сплавах) и загрязнению окружающей зоны сварки атмосферы токсичными (ядовитыми) парами (Мn, Zn, Cr, Сu, Pb). Испарение может послужить причиной образования пор в металле шва ( при сварке АМг6, латуней). Для уменьшения отрицательных последствий испарения стремятся сократить стадию капли: рекомендуют сварку вести короткой дугой.
2. Окисление металла при сварке может быть следствием взаимодействия металла с кислородом газовой фазы и с окислами, содержащимися в покрытиях, флюсах, шлаках.
Окислительная способность газовой фазы определяется содержанием в ней свободного кислорода. Окислительная способность покрытий, флюсов, шлаков определяется содержанием в них окислов – прежде всего непрочных Fе2О3 ,МnО, SiО2.
Потеря легирующих элементов – это первое отрицательное последствие окисления. Окисляемость легирующих элементов прямо пропорциональна их сродству к кислороду (в условиях раствора). Преимущественно окисляются те элементы, сродство к кислороду которых больше: В, Аl, Тi, С, Si, Мn.
Насыщение сплава кислородом является вторым отрицательным последствием процесса окисления. Кислород в металлическую ванну попадает в результате растворения в ней газообразного кислорода, но главным образом в результате растворения в металле окисла металла – основы сплава.
Легирование сплава нежелательными элементами является третьим отрицательным последствием окислительных процессов.
Как же бороться с отрицательными последствиями окислительных процессов?
- Применение бескислородных флюсов, целиком составленных из солей металлов (СаF2, КF, NаF, КСl, NаCl);
- Применение инертных газов: аргона, гелия;
- Предотвращение окисления железа и, следовательно, насыщения металла кислородом достигается легированием сварочной проволоки элементами с большим сродством к кислороду, которые окисляются в первую очередь (Мn, Si, Тi, Аl). Примерами применения этого способа борьбы с окислением служат применения проволок Св-08ГС, Св-08Г2С и др;
- расплавленный металл на стадии ванны подвергается раскислению: растворённый кислород частично удаляется из металла.
При сварке сталей окисление может играть и положительную роль –окисление углерода, серы, фосфора – рафинирует металл, растворённый в металле кислород резко уменьшает растворимость водорода.
Растворение газов в жидком металле. Во всех технических металлах и сплавах активно растворяется водород, в большинстве – растворим азот (исключение составляют медь, серебро). Чрезмерное насыщение металла шва этими газами приводит к появлении в сварном шве пор и трещин – флокенов.
Борьбу с водородом и азотом ведут технологическими и металлургическими методами. К ним относятся: совершенствование защиты от воздуха, очистку проволоки и свариваемых кромок от окисных плёнок и влаги, прокалку электродов и флюсов, осушку газов.
К металлургическим методам относятся – связывание водорода в газовой фазе кислородом и фтором в термически прочные нерастворимые в металле газообразные соединения ОH и HF. ( связывание кислородом наиболее полно реализуется при сварке в СО2; связывание фтором – при сварке под флюсами типа ОСЦ-45, АН-348А). Кроме этих методов применяются и следующие: 1) насыщение металла кислородом, что снижает растворимость водорода в нём; 2) удаление водорода из жидкой металлической ванны в процессе её «кипения» - т.е. образование пузырьков СО, при этом водород активно проникает в пузырьки СО и выносится с ними из металла; 3) связывание растворенного в жидком металле азота в тугоплавкие нитриды. 4) применение постоянного тока обратной полярности обеспечивает меньшее содержание водорода и азота ( при сварке конструкционных сталей).
Легирование металла шваосуществляется несколькими способами:
1. Легирование через сварочную проволоку.
2. Легирование через введение порошков чистых металлов в электродные покрытия.
3. Легирование восстановлением элементов из окислов, находящихся в шлаке, металлом – основой сплава (применяют при сварке под флюсом).
Раскисление и рафинирование металла шва. Под раскислением понимают удаление из металла растворенного в нём кислорода. Рафинирование – очищение металла от серы, фосфора, неметаллических включений и газов.
Читайте также: