Пористость шва при сварке
Обновлено: 16.05.2024
На качественные показатели сварных соединений накладывают отпечаток множество факторов, к которым относятся свариваемость металлов, их чувствительность к термическим воздействиям, окисляемость и т. д. Поэтому для соответствия сварных соединений тем или иным эксплуатационным условиям следует эти критерии учитывать.
Свариваемость металлов определяет способность отдельных металлов или их сплавов образовывать при соответствующей технологической обработке соединения, отвечающие заданным параметрам. На этот показатель оказывают влияние физические и химические свойства металлов, строение их кристаллической решетки, нали - чиє примесей, степень легирования и т. д. Свариваемость может быть физическая в технологическая.
Под физической свариваемостью понимают свойство материала или его составов создавать монолитное соединение с устойчивой химической связью. Физической свариваемостью обладают практически все чистые металлы, их технические сплавы и ряд сочетаний металлов с неметаллами. К технологической свариваемости материала относят его реакцию на сварочный процесс и способность создать соединение, удовлетворяющее заданные параметры.
При определении критериев свариваемости металлов и их сплавов ориентируются на следующие их свойства:
— Чувствительность металла к тепловому воздействию, которое создается при сварке;
— склонность металла к росту зерна с сохранением пластических и прочностных свойств, структурным и фазовым изменениям в зоне термического воздействия;
— химическая активность металла, влияющая на его окисляемость при термическом воздействия сварочного процесса;
— сопротивляемость металла к образованию пор и трещин в холодном и горячем состоянии.
Большое влияние на качество сталей оказывает так называемая их раскисляемость, которая характеризуется содержанием марганца, кремния и некоторых других элементов и равномерностью их распределения. По этому параметру различают три вида сталей: кипящая — «кп», полуспокойная — «пс» и спокойная — «сп».
Кипящая сталь отличается большой неравномерностью распределения вредных примесей (особенно серы и фосфора) по толщине проката и получается при неполном раскислении металла марганцем. Характерной особенностью этого вида сталей является склонность к старению и образование кристаллизационных трещин в шве и около - шовной зоне, что приводит к переходу в хрупкое состояние при отрицательных температурах.
Спокойная сталь получается при равномерном распределении примесей, поэтому она менее склонна к старению и меньше реагирует на сварочный нагрев.
Полуспокойная сталь занимает промежуточное значение между кипящей и спокойной.'
Все эти свойства учитывают при выборе технологических приемов сварки, способов формирования сварочного шва, параметров теплового воздействия и т. д.
В качестве примера приведем свариваемость сталей, как наиболее распространенных конструктивных материалов.
Для сварных конструкций лучше всего использовать низкоуглеродистые и низколегированные стали, обладающие высокой степенью свариваемости.
Наибольшее влияние на качество сварного соединения оказывает углерод. Увеличение содержания углерода и ряда других легирующих элементов снижает свариваемость сталей, ухудшая качество шва.
Сварные соединения высокоуглеродистых и высоколегированных сталей отличаются повышенным содержанием трещин и выполняются по специальной технологии.
Классификация сталей по свариваемости приведена в табл.1.
Классификация сталей по свариваемости
Группа по свариваемости
Констру киионная легированная
Ст. 1; Ст.2; Ст. З; Ст.4; 0,8; сталь І0, 15, 20, 25;12кп, 15кп,
15Г; 20Г; 15Х; 15ХА; 20Х; 15ХМ; 14ХГ. С, 10ХСМД; 10ХГСМД;15ХСМД
Сг5; сталь 30, 35
(2ХМ2; 12ХНЗА; [4Х2МП; 10Г2МП; 20ХНЗА; 20ХЙ; 20ХГСА; 25ХГСА; 30Х; 30 М
Стб; сталь40, 45, 50
35Г; 40Г; 45Г; 40Г2; 35Х; 40Х; 45Х; 40ХН;40; 40ХМФА; 30ХГС; 30ХГС; 30ХГСМ; 35ХМ; 20Х2Н4А; 4ХС; 12Х2Н4МА
Сталь 65, 70, 75, 80, 85, У7, У8, У9, У10, У11, У12
50Г; 50Г2; 50Х; 50ХН; 45ХНЗМФА; бХс; 7X3; 9ХС; 8X3; 5ХНТ; 5ХНВ
Примечание: Стали, относящиеся к хорошим, имеют содержание углерода менее 0,25%. Они хорошо свариваются без образования закалочных структур и трещин в широком диапазоне режимов сварки.
Стали, относящиеся к удовлетворительным, имеют содержание углерода от 0,25 до 0,35%. Они мало склонны к образованию трещин и при правильно подобранных режимах сварки дают качественный шов.
Для улучшения качества сварки часто применяют подогрев.
Ограниченно свариваемые стали имеют содержание углерода от 0,36 до 0,45% и склонны к образованию трещин. Сварка требует обязательного подогрева.
Плохо свариваемые стали содержат углерод в количестве более 0,45%. При их сварке требуются специальные технологические процессы.
Легирование стали одним или несколькими легирующими элементами придает ей определенные физико-механические свойства. Как правило, повышение уровня легирования и прочности стали приводит к ухудшению ее свариваемости и первостепенная роль в этом принадлежит углероду.
Низколегированные стали хорошо свариваются всеми способами плавления. Получение же при сварке равнопрочного сварного соединения, особенно у термоупрочненных сталей, вызывает определенные трудности. В зонах, удаленных от высокотемпературной области, возникает холодная пластическая деформация. При наложении последующих швов эти зоны становятся участками деформационного старения. Это в конечном итоге приводит к снижению пластических и повышению прочностных свойств металла и соответственно к появлению холодных трещин. В среднелегированных сталях увеличивается склонность к закалке, в связи с чем такие стали имеют высокую чувствительность к термическому циклу сварки. Их около - шовная зона оказывается резко закаленной, а следовательно, и непластичной при всех режимах сварки, обеспечивающих удовлетворительное формирование шва. Поэтому с целью снижения скорости охлаждения околошовной зоны при сварке этих сталей необходим предварительный подогрев свариваемого изделия.
При сварке высоколегированных хромистых 08X13, 08X17Т и некоторых других сталей существуют отличительные особенности:
— -высокий порог хладноломкости стали, находящийся обычно в области положительных температур;
— склонность к значительному охрупчиванию в око - лошовной зоне;
— низкая пластичность и вязкость металла шва, выполненного сварочными материалами аналогичного со сталью химического состава;
— невозможность устранить охрупчивание термообработкой.
Сварку таких сталей необходимо выполнять с минимальным тепловложением, так как с увеличением погонной энергии возрастает склонность зон сварного соединения к росту зерен, появлению микротрещин и падению пластичности. При этом снижается сопротивляемость сварного соединения локальным повреждениям и меж- кристаллической коррозии. В процессе сварки возникает опасность коробления и появляется повышенный уровень остаточных напряжений.
После сварки в ряде случаев требуется термообработка.
Окисляемость металла под термическим действием сварочной дуги определяется его химической активностью. От этого напрямую зависит степень защиты сварочного шва, применяемой при сварке. Чем выше химическая активность металла, тем качественнее должна быть защита. Наибольшей химической активностью отличаются титан, ниобий, цирконий, вольфрам, молибден, тантал и некоторые другие. Поэтому при сварке этих металлов недостаточно применение флюсов и защитных покрытий, так как в защите нуждается не только сварочный шов, но и прилегающая к нему область. Самой эффективной защитой в данном случае, служит сварка в вакууме или в среде инертного газа высокой чистоты.
Сварка остальных цветных металлов (меди, алюминия, магния, никеля и их сплавов) тоже требует высокой защиты, которую обеспечивают инертные газы, флюсы и специальные электродные покрытия.
Для сварки сталей и сплавов на основе железа в качестве защитных средств используют флюсы и электродные покрытия.
Прочность сварных соединений — это свойство, не разрушаясь, воспринимать определенные нагрузки в тех или иных заданных условиях. При этом учитывают как рабочие, так и предельные нагрузки.
Под рабочими нагрузками понимают суммарные напряжения, возникающие от собственного веса, внешних нагрузок, появляющихся в процессе эксплуатации, и собственных напряжений, создающихся при сварке, сборке и т. д.
Предельными считаются нагрузки, когда наступает текучесть в основном сечении, возникшая под действием статических, повторно-переменных и динамических сил.
При этом образуются максимально допустимые повреждения или деформации, за которыми следует потеря эксплуатационной способности конструкции.
При расчете несущей способности сварочного шва ориентируются на допустимое напряжение в наиболее опасном сечении элемента і и допустимое напряжение, составляющее некоторую часть от предела текучести нзэ. При этом обязательно должно выдерживаться соотношение: Н5э і s. При таком соотношении элемент конструкции удовлетворяет требованиям прочности. Для большей уверенности применяют коэффициент запаса прочности л, который гарантирует ненаступление текучести и для низкоуглеродистых сталей лежит в пределах 1,35—1,50, а нзэ “ 160 Мпа.
Допустимое напряжение в наиболее опасном сечении s определяют по формуле:
где F— площадь поперечного сечения элемента, a N — осевое усилие, прикладываемое к нему. '
Говоря о прочности сварочного соединения, не следует забывать о его пористости и трещинах, оказывающих значительное влияние на этот показатель.
Поры в сварочном шве возникают при выделении газов в процессе кристаллизации металла. Как правило, это азот, водород или окись углерода, получаемые в результате химических реакций. Но поры в сварочном шве могут возникать не только от газов. Это явление случается при повышенной тугоплавкости, вязкости и плотности шлаков, которые не покидают пределы сварочного шва.
Поры могут быть внутренними или наружными, располагаться по оси шва или на его границах, форма их может быть округлая, овальная или более сложная, а их размеры могут колебаться от нескольких микрон до не-
Рис. 6. Наличие горячих трещин в сварных соединениях:
1, 2, 3 — поперечные трещины шва и зоны вокруг него в материале; 4, 5— трещины продольные
скольких миллиметров. Уменьшению пористости сварочного шва способствует предсварочная подготовка, которая заключается в тщательной зачистке сварного соединения от грязи, масел, ржавчины и прочих посторонних включений. Борются с пористостью при помощи правильно подобранных режимов сварки, защитными покрытиями и флюсами, вводимыми в сварочную ванну.
Трещины в массиве шва и околошовпой зоны могут быть холодными и горячими. Горячие трещины (рис. 6) возникают в процессе кристаллизации жидкой фазы металла. Этому явлению способствуют линейные сокращения металла, возникающие в результате внутренних напряжений. Размеры и направление горячих трещин могут быть самыми различными и зависят от соответствия материала, электродов и режимов сварки.
Для определения этого соответствия сначала сваривают пробный образец, который подвергают тщательному анализу.
Наличие трещин может определяться визуально под увеличением, а ответственные детали подвергают про - светке или облучению.
Холодные трещины чаще всего имеют микроскопический характер и возникают при температурах не более 200°С. Причинами появления холодных трещин может быть хрупкость металла при быстром его охлаждении, остаточные напряжения в сварных соединениях иди повышенное содержание водорода.
Коррозия сварных соединений снижает прочность шва и его долговечность. В связи с изрядными структурными изменениями сварных соединений они обладают большей коррозийной активностью по сравнению с основным металлом. Коррозия может быть общей и местной.
При общей коррозии поражается вся поверхность металла, что свидетельствует о его низкой коррозийной стойкости.
Местная коррозия проявляется в наличии отдельных ржавых пятен, точек. Она может быть как поверхностная, так и межкристаллитная.
Наиболее опасна межкристаллитная коррозия, которая проникает вглубь зерен, не разрушая их. Наиболее характерные коррозийные разрушения сварного соединения показаны на рис. 7.
Рис. 7. Коррозионные разрушения при сварке;
А — общая коррозия: 1 — равномерное распределение; 2 — шовная коррозия; 3 — интенсивная коррозия всего металла; 4 — ржавчина в зоне термического влияния; Б— местная1 коррозия: /— коррозия в термической зоне (межкристаллитная); 2— шовная коррозия; 3 — коррозия в зоне сплавления; 4 — точечная коррозия; В — усталость (коррозийное вытрескивание)
Избежать этого опасного явления помогает правильный подбор материалов, сварочных электродов, применение защитных покрытий и замедлителей, которые наносят на поверхность металла или в коррозионную среду. Хорошие результаты дает применение сварочной проволоки с высокой коррозийной стойкостью. При сварке такой проволокой получается шов с большей коррозийной стойкостью, чем основной металл. На коррозийную активность сварочного шва Оказывают влияние и выбранные режимы сварки.
Образование пор в сварных швах и способы их предупреждения
Поры, наблюдаемые в сварных швах, связаны с процессами выделения газов в макро- и микрообъемах.
При объемном пересыщении металла сварочной ванны газами, вызванном уменьшением растворимости из-за снижения температуры металла, в основном образуются макропоры. Рост пузырьков газа в этом случае происходит в основном в результате конвективной диффузии газа из окружающих объемов металла. Скорость роста пузырьков определяется степенью пересыщения ванны газами и скоростью десорбции газов в зародыш.
При локальном пересыщении жидкого металла у фронта кристаллизации зарождение и развитие пузырьков наиболее вероятно на стадии остановки роста кристаллов. Пузырьки в этом случае в основном развиваются вследствие диффузии атомов (ионов) газа из прилегающих микрообъемов металла. Размеры пузырьков определяются в основном длительностью остановок в росте кристаллов. При кристаллизации первых слоев и длительности остановок 0,1. 0,2 с, характерных для наиболее употребляемых режимов сварки, вероятно образование мельчайших пор у линии сплавления. Роль азота в образовании крупных пор при отсутствии конвективной массопередачи газа невелика.
Получение плотных швов при сварке покрытыми электродами и порошковыми проволоками может быть достигнуто путем снижения содержания газов в сварочной ванне ниже предела растворимости в твердом металле при температуре плавления. В этом случае образование пузырьков газа в момент кристаллизации не происходит. Этот способ обеспечения плотных швов реализуется в электродах с покрытием основного вида.
При увлажнении электродного покрытия основного вида содержание водорода в сварочной ванне возрастает выше его предела растворимости в твердом железе при температуре плавления и попадает в наиболее опасную с точки зрения образования пор концентрационную зону скачка растворимости (12. 27 см 3 /100 г). При таких концентрациях водорода процесс образования и удаления пузырьков газа из сварочной ванны протекает вяло, что приводит к образованию пор.
Поры, обнаруживаемые в швах при сварке длинной дугой электродами с карбонатно-флюоритным покрытием, вызваны выделением азота. Плохое смачивание капель электродного металла и ванны шлаками электродов этого вида создает условия для непосредственного контакта металла с газовой фазой и повышенной абсорбции азота.
Газом, вызывающим пористость швов при сварке электродами с рутиловым и руднокислым покрытиями, в основном является водород. Выделение оксида углерода и азота играет второстепенную роль.
Получение плотных швов при сварке этими электродами достигается путем создания благоприятных условий для повышенной абсорбции водорода на стадии капли и интенсивного роста и быстрого удаления образовавшихся пузырьков газа из сварочной ванны до момента ее кристаллизации. Такая ситуация реализуется при обеспечении содержания водорода в сварочной ванне, значительно превышающем предел его растворимости в жидком железе при температуре плавления, т. е. намного больше 27 см 3 /100 г.
Введение в рутиловые и руднокислые покрытия материалов, содержащих кристаллизационную влагу, способствует интенсивной абсорбции водорода каплями электродного металла и высокотемпературной областью сварочной ванны, что создает впоследствии благоприятные условия для зарождения, роста и удаления пузырьков газа до момента кристаллизации сварочной ванны.
Увеличение силы тока при сварке электродами с рутиловым и руднокислым покрытиями повышает вероятность образования пор в металле шва, что обусловлено перегревом второй половины электрода, уменьшением содержания влаги в перегретом покрытии и содержания водорода в металле шва, выполненном перегретой частью электрода до опасного концентрационного уровня (12. 27 см 3 /100 г).
При введении значительных количеств алюминия, титана, кремния в покрытия рутиловых и руднокислых электродов возрастает вероятность образования пор, обусловленная ростом концентрации кремния в металле сварочной ванны.
Будучи поверхностно-активным элементом, кремний тормозит десорбцию водорода, дегазация ванны идет вяло, в металле образуются поры. Подобное влияние может оказывать сера и другие поверхностно-активные элементы.
Раскисление покрытий рутиловых или руднокислых электродов кремнием, титаном, алюминием, углеродом, высокое содержание этих элементов в основном металле, повышение температуры прокалки, снижение окислительного потенциала покрытия и др. приводят к снижению скорости выделения газов и к образованию пористости.
Подавление кремневосстановительного процесса путем повышения основности шлака, введения карбонатов в покрытие и окисления кремния водяным паром способствует увеличению скорости выделения водорода. Предложенный метод интенсификации выделения водорода использован при создании промышленных марок рутил-карбонатных электродов серии АНО.
Менее падежная защита металла от воздуха при сварке порошковыми проволоками открытой дугой приводит к большей (по сравнению с электродами) абсорбции азота металлом, поэтому выделение азота из ванны оказывает существенное, а в ряде случаев решающее, влияние на пористость. В проволоках карбонатло-флюоритного типа предупреждение выделения азота в виде газовой фазы достигается легированием металла титаном и алюминием. Эффективно снизить абсорбцию азота можно, зашитив зону сварки углекислым газом, смесями газов на основе аргона либо используя проволоку двухслойной конструкции.
Сварка алюминия. Пористость.
Повышенная склонность алюминиевых сплавов к порообразованию является одним из главных затруднений на пути получения сварных соединений высокого качества. Некоторые ученые считают, что пористость больше определенного размера при определенном взаимном расположении отдельных пор существенно понижает прочность и пластичность сварных соединений. Поэтому в СССР и за рубежом проводятся работы по выяснению причин возникновения пористости и определению методов их предупреждения. Основной причиной пористости в алюминиевых сплавах является присутствие в них водорода. Кроме водорода, в сварочную ванну возможно попадание азота и кислорода. Азот практически не растворяется в алюминии, а дает нитрид алюминия, переходящий в шлак, и поэтому не оказывает существенного влияния на образование пористости. При сварке в защитных газах кислород в сварочную ванну обычно попадает в небольших количествах, так как содержание его в защитных газах строго ограничено. Кислород, попадающий в ванну, соединяется с алюминием в окисел А1203 и, очевидно, также не влияет на появление пористости в металле шва.
Образование пористости зависит от чистоты исходного металла, качества подготовки под сварку поверхности свариваемого и присадочного материалов, чистоты защитных газов, состава защитной атмосферы, качества травления и полноты удаления продуктов травления, способа сварки, параметров сварки, вида переноса капель металла и других факторов.
Причины и механизм образования пористости исследовали многие советские ученые. Основным источником насыщения металла шва атомарным водородом является влага, адсорбированная окисной пленкой на поверхности сварочной проволоки и свариваемых кромках.
Избыток газообразного водорода в металле объясняется повышением растворимости газов, особенно водорода, в жидком алюминии и скачкообразным уменьшением растворимости его в кристаллизующемся металле. Температура сварочной ванны в головной ее части достигает 1600—1700° С, а температура переносимой в столбе дуги капли еще выше; Установлено, что наивысшая растворимость водорода в алюминии имеет место при температуре 2050° С и достигает 20,9 см 3 на 100 г металла, т. е. объем растворенного водорода чрезвычайно велик.
По мере остывания сварочной ванны из-за резкого падения растворимости атомарный водород стремится выделиться, но, встречаясь и объединяясь с другими атомами водорода, с центрами кристаллизации и загрязнениями в металле, рекомбинирует в молекулы и образует газовые пузыри. Эти пузыри всплывают, пока позволяет вязкость окружающего металла. Не успевшие всплыть газовые пузыри после кристаллизации металла остаются в нем в виде неплотностей, как правило, сферической формы — газовой пористости.
Кроме газовой пористости, имеющей сферическую форму, различают усадочную пористость, не имеющую определенной формы и располагающуюся по границам зерен.
В некоторых случаях в сварных соединениях из алюминиевых сплавов нарушается герметичность в околошовной зоне. Это явление наблюдается в сварных деталях малой толщины (до 1 мм). В деталях большей толщины негерметичности может не быть, однако в околошовной зоне отмечается вспучивание металла. Исследования показали, что причиной возникновения негерметичности в околошовной зоне является междендритная водородная микропористость, в некоторых случаях — сквозная. При нагреве сварочной дугой в околошовной зоне частично оплавляются границы зерен. Диффундирующий из основного металла к этим границам водород вытесняет расплавленную эвтектику, в результате чего в околошовной зоне образуется пористость, имеющая вид разветвленных каналов. Пористость такого типа опасна, так как часто не выявляется непосредственно после сваркипри контроле сварных швов, а открывается при эксплуатации сварных узлов.
Образованию пористости сварных соединений способствует не только водород, попадающий в сварочную ванну с присадочным материалом, газами и из влаги, адсорбированной поверхностной окисной пленкой, но и водород, растворенный в металле при изготовлении полуфабрикатов. Внутренние напряжения создают направленный поток водорода в растянутые места решетки, и прогрессирующая сегрегация водорода в этих местах может привести к ослаблению сил сцепления и зарождению трещин.
При достаточно высокой температуре или при длительном постоянно действующем напряжении атомы водорода диффундируют и выходят из решетки металла к поверхности раздела фаз, микропустот и рекомбинируют в молекулы водорода. Так как молекулы водорода неспособны диффундировать в металле, то в несплошностях возможны высокие давления, которые приводят к образованию не только пустот (пор), но и трещин в кристаллизующемся металле. Диффундирующий из основного металла водород оказывает влияние на образование газовой пористости в металле шва и усадочной пористости по границам оплавленных зерен в околошовной зоне.
По уменьшению пористости сварных соединений разработано много рекомендаций, которые можно разделить на две группы:
1) организационно-технические и технологические;
Ниже приведены основные организационно-технические и технологические рекомендации по уменьшению пористости.
1. Поверхностная окисная пленка на присадочной проволоке и основном металле гигроскопична, поэтому для уменьшения пористости следует тщательно удалять ее перед сваркой.
2. Одной из причин возникновения пористости является нарушение газовой защиты шва при сварке. Образование турбулентных потоков газа приводит к перемешиванию воздуха с расплавленным металлом и, как следствие, к повышенному его загрязнению. Установлено, что характер потока защитного газа (ламинарность или турбулентность) зависит от расхода газа, скорости истечения, диаметра сопла, вылета вольфрамового электрода, расстояния сопла до изделия и типа сварного соединения. Оптимальные значения этих параметров определяют экспериментально.
3. На увеличение пористости оказывают влияние остатки на поверхности свариваемых и присадочных материалов продуктов травления NaOH , поэтому необходимо обеспечить тщательную промывку деталей и проволоки после травления.
4. Для уменьшения пористости наобходимо повышать чистоту присадочной проволоки. При этом следует стремиться к относительному уменьшению площади поверхности присадочной проволоки, т. е. применять присадочную проволоку возможно большего диаметра. Для получения сварных швов высокого качества необходима тщательная подготовка материалов перед сваркой. По методике суммарной оценки качества подготовки материалов к сварке, разработанной в Англии, две пластины размером 25 x 37 мм, толщиной 1,5 мм сваривают по большей стороне аргоно-дуговой сваркой и рассматривают качество металла в изломе.
5. Объем пористости в сварных швах алюминиевых сплавоввозрастает при увеличении выдержки свариваемых кромок и присадочной проволоки после их обработки до момента сварки. Поэтому необходимо предельно сокращать эту выдержку. Проводятся работы по увеличению допустимого времени от подготовки деталей к сварке до сварки.
6. Одним из способов уменьшения пористости является правильный выбор защитных газов. Например, при применении в качестве защитной среды смеси Аr+He (65—75% Не по объему) пористость уменьшается. При этом большое значение имеет чистота защитных газов.
Металлургические рекомендации по уменьшению пористости
Металлургические рекомендации основаны на том, что уменьшение пористости возможно либо за счет ограничения протекания реакции взаимодействия жидкого металла с влагой путем увеличения скорости кристаллизации сварочной ванны, либо, наоборот, за счет создания условий для полного протекания реакции удаления водорода путем увеличения продолжительности существования жидкой ванны.
Выбор одного из металлургических способов уменьшения пористости зависит от типа свариваемого алюминиевого сплава (термически упрочняемого или термически неупрочняемого, склонного к образованию трещин или не склонного и др.), а также от толщины свариваемых деталей, их жесткости и других параметров. Детали малой толщины целесообразно сваривать на жестких режимах, т. е. применять первый из способов, а детали большой толщины из термически неупрочняемых и не склонных к образованию трещин — по второму способу, учитывая, что при этом можно повысить производительность процесса сварки.
Иногда для уменьшения пористости применяют подогрев деталей перед сваркой, что увеличивает пребывание металла в жидком состоянии и таким образом облегчает удаление из него растворенных газов. Температуру подогрева назначают в зависимости от типа свариваемого алюминиевого сплава. Так, при сварке сплавов системы Аl— Mg подогрев свыше 100—150° С может привести не к снижению, а к увеличению пористости, так как в этих сплавах пленка окиси магния, образующаяся на поверхности расплавленного металла, слабо защищает жидкий металл от воздействия влаги.
Для уменьшения пористости целесообразно применять многодуговую сварку термически неупрочняемых алюминиевых сплавов, что приводит к увеличению продолжительности существования жидкой ванны.
Для уменьшения пористости сварных швов в СССР и за рубежом проводили опыты с добавлением в защитный газ 1—3% Сl по объему. Хлор, активно взаимодействуя с образовавшимся водородом, уменьшает его количество в сварочной ванне. Известно также, что пористость можно уменьшить путем наложения ультразвуковых колебаний на жидкий и кристаллизующийся металл сварочной ванны. Ультразвуковые колебания облегчают выход водорода из ванны и ограничивают возможность образования крупных пор. Однако применение хлора и ультразвука существенно усложняет технологический процесс сварки и условия работы обслуживающего персонала.
Пористость сварных швов
Одним из наиболее часто встречающихся дефектов сварных швов являются поры. Так как их появление часто провоцируется нарушениями технологии изготовления электродов, рассмотрим этот весьма сложный процесс, о механизме которого существуют различные точки зрения.
Возникновение пористости связано с образованием газовых пузырьков в жидкой сварочной ванне и фиксацией их в металле при его кристаллизации. В зависимости от конкретных условий причинами образования пористости могут явиться такие газы, как водород, азот и оксид углерода.
Возникновение и развитие пор определяется совместным действием всех газов, присутствующих в металле. Однако чаще всего основное влияние принадлежит какому-либо одному из перечисленных газов. Существенно также влияние физических свойств сварочных шлаков.
Ранее было отмечено, что вместе с ростом температуры жидкого металла количество растворенного газа возрастает. В области высоких температур (капли жидкого металла, головная часть сварочной ванны) количество растворенного газа может превысить его растворимость (то количество газа, которое растворяется в жидком металле при температуре плавления и внешнем давлении газа в 101 кПа). В результате сварочная ванна в ее хвостовой, менее нагретой части окажется пересыщенной газом, особенно на границе с кристаллизующимся металлом.
Излишний по сравнению с равновесным содержанием газ будет выделяться из металла. При этом он способен создавать давление (давление выделения), превышающее атмосферное. Если выделение газа в атмосферу с поверхности металла происходит легко, то образование и развитие газового пузырька внутри металла затруднено и требует затрат энергии.
Образование зародыша газового пузырька происходит легче всего на границе между жидкой фазой и кристаллизующимся твердым металлом. Особенно легко это происходит во время остановок кристаллизации, продолжительность которых для стали обычно не превышает 0,2 с. Дело в том, что в процессе кристаллизации происходит повышение концентрации газа в слое жидкого металла на его границе с образующейся твердой фазой. Во время движения фронта кристаллизации содержание газов в твердом металле становится равным его исходному содержанию в жидком металле. Так как растворимость газов в твердом металле меньше, чем в жидком, то при остановке кристаллизации газ, в первую очередь водород, из затвердевшего металла начнет диффундировать в жидкий металл. Учитывая, что слой жидкого металла уже пересыщен газом, вероятность возникновения стойкого зародыша в это время возрастает.
Дальнейшее развитие и рост зародыша будут происходить в том случае, если сумма давлений выделения всех газов, растворенных в металле, превышает атмосферное давление.
Рассмотрим условия возникновения пористости при сварке электродами с покрытиями различных видов. При этом объединим в одну группу электроды с покрытиями следующих видов: кислым, рутиловым, целлюлозным. Общим для таких покрытий является наличие органики, главным образом в виде целлюлозы, создающей достаточную газовую защиту от атмосферы воздуха и кислых оксидов в количествах, обеспечивающих развитие умеренного кремневосстановительного процесса, а также применение в качестве рас - кислителя главным образом ферромарганца.
Сумма парциальных давлений остаточного водорода, азота и оксида углерода в наплавленном металле существенно превышает атмосферное давление. Каким же образом пересыщение наплавленного металла газами сочетается с возможностью получения беспо - ристых швов?
Прежде всего, следует отметить, что жидкий металл, наплавляемый электродами этой группы, имеет при сравнительно высоких температурах повышенное содержание растворенного кислорода, что существенно снижает вязкость металла. Из трех рассмотренных газов водород содержится в швах в большем количестве, и его парциальное давление, как правило, превышает атмосферное давление. При этом диффузионная подвижность водорода в жидком металле на два-три порядка выше диффузионной подвижности азота, кислорода и углерода, необходимого для образования оксида углерода.
Приведенные особенности электродов рассматриваемой группы создают благоприятные условия для возникновения зародышей на фронте кристаллизации и их дальнейшего развития, главным образом, за счет диффузии в них водорода.
В результате образующиеся газовые пузырьки растут быстрее, чем движется фронт кристаллизации. Пузырьки, достигнув определенного размера, отрываются и всплывают, что и обеспечивает отсутствие пористости в швах.
При введении в покрытие электродов сильных раскислителей (ферросилиций, алюминий, углерод) окислительный потенциал покрытия снижается. Это приводит к росту коэффициента перехода марганца из покрытия в наплавленный металл, к более интенсивному развитию кремневосстановительного процесса или приросту кремния за счет его перехода из ферросилиция, вводимого в покрытие. При этом изменяется также и химический состав образующегося шлака, а следовательно, и его свойства. В первую очередь повышается вязкость шлака, снижается его окислительная способность и газопроницаемость.
Примерно к таким же результатам приводит прокалка электродов рассматриваемой группы при высоких температурах, превышающих рекомендованные. Это снижает концентрацию влаги в покрытии и вызывает обугливание органики. Все вместе взятое способствует развитию кремневосстановительного процесса.
При повышенной концентрации кремний взаимодействует с кислородом, начиная с высоких температур. Это повышает вязкость и поверхностное натяжение жидкого металла. Кроме того, кремний затрудняет выделение водорода из металла. В результате образование и рост газовых пузырьков происходит вяло. Металл кристаллизируется быстрее, чем растут пузырьки газа, и в металле возникает внутренняя пористость.
В связи с повышением вязкости шлака может возникнуть также большая наружная пористость. Чаще всего это бывает, когда вязкий шлак покрывает ту часть сварочной ванны, в которой происходит образование газовых пузырьков. Густой шлак задерживает образовавшиеся пузырьки газа на границе металл — шлак и не позволяет им выделиться в атмосферу.
Для предупреждения возможности образования пор при сварке электродами рассматриваемой группы необходимо:
• при изготовлении — строго соблюдать рецептуру покрытия и требования технической документации к компонентам и технологии изготовления, обращая особое внимание на соблюдение предусмотренных режимов прокалки;
• при применении — строго выдерживать предписанные режимы силы сварочного тока. В случае чрезмерного увлажнения производить дополнительную прокалку в соответствии с технической документацией.
Сварку рекомендуют производить через 2-3 дня после прокалки с целью стабилизации влажности покрытия электродов в условиях цеха.
При сварке электродами с покрытием основного вида карбонаты, содержащиеся в таких покрытиях в больших количествах, при высокой температуре разлагаются с выделением углекислого газа. При сварке короткой дугой обеспечивается достаточно мощная защита сварочной ванны от воздействия воздуха, в связи с чем содержание азота в швах обычно не превышает 0,02%. Так как в состав покрытия электродов входят сильные раскислители (кремний, титан), наплавленный металл по типу относится к спокойной стали с концентрацией кремния 0,2-0,4%. Поэтому содержание общего кислорода, связанного главным образом с кремнием, обычно находится в пределах 0,02-0,04%.
Температура прокалки электродов с покрытием основного вида достигает 380-420 °С.
Учитывая низкое содержание в покрытии пластификаторов, имеющих в своем составе связанную влагу, содержание в швах суммарного водорода, как правило, не превышает 6-8 мл/100 г. Казалось бы, пористость в таких швах должна всегда отсутствовать. Однако на практике нередки случаи получения пористых швов. Рассмотрим возможные причины их образования.
При сварке длинной дугой в атмосферу зоны сварки проникает воздух, а, следовательно, и азот, который в существенном количестве может раствориться в жидком металле при высокой температуре.
При охлаждении жидкого металла до температуры кристаллизации'растворимость азота резко снижается, и металл на фронте кристаллизации может оказаться пересыщенным этим газом. Так как скорость кристаллизации будет превышать скорость роста пузырьков, в сварных швах появятся поры.
При сварке электродами с увлажненным покрытием в атмосфере дуги появятся пары воды, диссоциация которых сопровождается появлением атмосферного водорода. В этом случае жидкий металл на фронте кристаллизации может быть пересыщен водородом. В связи с медленным ростом пузырьков кристаллизующийся металл их зафиксирует, и в сварных швах появится пористость.
При сварке по окисленным, ржавым поверхностям возможно местное пересыщение металла как кислородом, так и водородом. Пористость возникает на фронте кристаллизации в результате
образования пузырьков газа как за счет водорода, так и за счет оксида углерода.
С целью снижения чувствительности электродов с основным покрытием к пористости при их изготовлении следует жестко ограничить введение в покрытие минеральных и органических пластификаторов, содержащих соединения водорода, трудноудаляемые в процессе прокалки. Режимы прокалки должны полностью соответствовать требованиям технической документации.
Сварку необходимо выполнять только по зачищенным поверхностям, на токовых режимах, соответствующих указаниям документации. Перед употреблением электроды надо прокалить.
Читайте также: