1.3 Поведение металлических составляющих сварочных материалов при сварке. Раскисление. Легирование

Известно, что свойства металлов вообще и сварных швов в частности определяются их химическим составом и структурой. При сварке различных металлов и сплавов требуемые составы металла сварных швов весьма разнообразны и варьируются в связи с эксплуатационным назначением сварной конструкции. Основным способом регулирования химического состава швов является варьирование состава наплавляемого металла, т. е. применяемых сварочных материалов. Хотя составы электродных, присадочных материалов, регламентированные ГОСТами и ТУ, весьма разнообразны, обеспечить только ими необходимую номенклатуру составов металла швов (наплавок) оказывается затруднительным. Поэтому, например, для раскисления, а также легирования с целью получения необходимого состава металла швов (наплавок) при сварке кроме присадочного металла в про­цесс вводят через сварочные материалы необходимые элементы, обычно в виде добавок чистого металла или сплавов.

Способы введения дополнительных металлических материалов при сварке весьма разнообразны. Это могут быть различные метал­лические полуфабрикаты — присадочные вставки, вводимые в разделку; легированные проволоки в пластино-проволочных электродах при электрошлаковой сварке и др. Часто в качестве металлических добавок используются предварительно подготовленные порошки — изготовленные из монолитных кусков дроблением; восстановленные из сыпучих, порошкообразных соединений, в частности окислов, и пр. Такие порошки вводятся с другими материалами в шихту электродных покрытий в виде порошковой смеси во внутренние части порошковых проволок и лент, в порошкообразную шихту керамических флюсов, подвергаемую связыванию каким-либо клеящим материалом и гранулированную на определенные размеры. Реже порошковидные металлические материалы насыпают на свариваемое или подлежащее наплавке изделие и расплавляют на нем, причем иногда для закрепления их связывают в мастикоподобные пасты, наносимые на поверхность изделия.

В некоторых случаях основной целью применения порошкообразных металлических добавок является не изменение химического состава металла шва, а повышение производительности сварки (добавка железного порошка в электродные покрытия при сварке сталей и пр.).

В большинстве случаев дополнительные металлические материалы за период существования жидкого металла должны равномерно распределиться в металлической основе. Иногда этот процесс начинается в каплях присадки (электрода) и продолжается в сварочной ванне; в некоторых случаях он и начинается и заканчивается в сварочной ванне. В случае, когда такие добавки играют роль элементов, связывающих кислород, их равномерное распределение в ванне и обеспечение этим процесса раскисления не является обязательным. Они могут оказывать и превентивное действие, связывая кислород еще до его поступления в металл капель или ванны. Это явление в ряде случаев имеет место в электродных покрытиях, когда такие добавки, в частности элементы с большим сродством к кислороду, еще в составе покрытия связывают выделяющийся другими материалами кислород, который потенциально мог бы окислить расплавляемый металл стержня.

Принципиально коэффициенты перехода элемента из стержня и из покрытия различны, так как при нахождении элемента в покрытиях (обычно в виде порошков) его реакция с недостаточно раскисленным покрытием происходит интенсивнее, чем при его нахождении в стержне. Поэтому более точный расчет концентрации элемента в наплавленном металле может быть произведен по формуле

[Me]_нм = [Me]_эсК_{перМеЭс} + G_эп/G_эсР_Ме[Me]_РМеК_{перМеЭп.} (1.8)

где К_{перМеЭс} и К_{перМеЭп} — соответственно коэффициенты перехода элемента Me из электродного стержня и покрытия;

G_эп/G_эс — относительный вес покрытия;

Р_Ме — относительное количество в составе покрытия материала, содержащего элемент Me в металлическом состоянии;

[Ме]_нм; [Ме]_эс; [Me]р_Ме — концентрации элемента Me соответственно в наплавленном металле, электродном стержне и материале Р_Ме, введенном в покрытие.

В некоторых случаях, например, когда степени легирования относительно невелики и допустимые колебания состава наплавленного металла перекрывают точность расчетов, можно принимать

К_{перМеЭс} = К_{перМеЭп}

Тогда формула упрощается

[Me]_нм = К_перМе {[Me]_эс + G_эп/G_эсР_Ме[Me]_РМе}_. (1.9)

В случае, если легирующий элемент вводится только через покрытие (в стержне этот элемент отсутствует), то, расчет становится еще проще, так как член [Ме]_эс = 0.

Коэффициенты перехода зависят не только от физико-химических свойств элемента, но и от вида покрытия. Так, например, при легировании хромом (до количеств [Сг]_нм= 1%) через покрытия различных видов были получены следующие значения К_пер :

для рудно-кислого покрытия типа ОММ-5 — 0,45;

для покрытия типа ЦМ-7 — 0,60 —0,65;

для хорошо раскисленного, на базе карбонатов, —0,9.

Для наиболее распространенных при сварке легированных и высоколегированных сталей, т. е. в случае, когда наиболее часто применяется дополнительное легирование при достаточно раскисленных ферросилицием и ферротитаном покрытиях фтористо-кальциевого вида, значения коэффициентов перехода ряда элементов приведены ниже:

^К_пер

Никель 0,96—1,0

Хром 0,85—0,92

Молибден 0,8—0,85

Марганец 0,5.5—0,7

Ванадий 0,8—0,85

Углерод (графит) 0,45—0,6

Хотя, как отмечалось в выше возможно легирование металла за счет обменных реакций с соединениями (главным образом окислами) флюсов-шлаков и даже посредством газовой фазы, наибольшее распространение при сварке имеет легирование вводимыми металлическими составляющими. На этом, кроме рассмотренного выше примера с электродными покрытиями, основано применение керамических флюсов с металлическими добавками; порошковых проволок, когда не удается иметь проволоки сплошного сечения; порошковых пластинчатых (ленточных) электродов. Применяются также более специфические (и менее строгие по результатам легирования) способы сварки (наплавки) по крупке, по пасте с порошкообразными металлическими составляющими и др.

Все эти способы имеют свои особенности применения, но принципиальные схемы взаимосвязи между количествами вводимых элементов в процесс и конечным их содержанием в наплавленном металле остаются одинаковыми. Что касается химического состава металла швов, то при этом следует учитывать и разбавление наплавленного металла расплавляемым основным.