Глава 10

ОСОБЕННОСТИ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ВИДАХ СВАРКИ

10.1. Способы защиты сварочной ванны от воздушной среды

Сварка плавлением — высокотемпературный процесс, сопро­вождающийся изменением состава металла сварного соединения, а следовательно, и его свойств, в результате взаимодействия с окружающей средой (атмосферой). Высокая восстановительная активность металлов приводит к образованию оксидов, нитридов и гидридов, а так как скорость химических реакций и диффу­зионных процессов при температурах сварочного цикла очень высокая, то даже в очень ограниченное время могут произойти существенные и нежелательные изменения состава металла шва. Широкое применение сварки в различных отраслях промышленности, строительства и транспорта стало возможным только тогда, когда были разработаны надежные методы защиты зоны сварки от атмосферы.

Рассматривая различные виды сварки, существующие в настоящее время, можно выделить четыре способа защиты зоны сварки: 1) шлаковая защита; 2) газовая защита; 3) газошлако­вая защита; 4) вакуумная защита.

10.2. Шлаковая защита сварочной ванны

Шлаковая защита сварочной ванны реализуется при механи­зированной сварке под слоем флюса (рис. 10.1). Электрический дуговой разряд, перемещаемый вдоль свариваемого шва механи­ческим устройством, поддерживается в замкнутом пространстве в среде расплавленного флюса и флюса в полужидком состоянии, причем газы дуговой атмосферы — пары металла и компонентов флюса — поддерживают давление внутри полости выше, чем дав­ление окружающей атмосферы. Дуговая сварка под слоем флю­са— высокопроизводительный процесс (более 20 г/А• ч), обе­спечивающий хорошее формирование сварного шва и высокое использование электродного металла — проволоки (~98%), так как не происходит разбрызгивания и, следовательно, не образу­ется грат. Шлак, образовавшийся при плавлении флюса электри­ческим дуговым разрядом, хорошо отделяется от поверхности сварного соединения.

Для получения сварных соединений высокого качества необ­ходимо правильно подбирать состав сварочного флюса и элек­тродной проволоки для сварки данного металлического сплава, что можно сделать, используя справочники по сварке.

МЕХАНИЗИРОВАННАЯ ДУГОВАЯ СВАРКА ПОД ФЛЮСОМ

При механизированной дуго­вой сварке используются раз­личные флюсы: плавленые, полу­чаемые сплавлением входящих в них компонентов в электрических или пламенных печах и гранули­руемые выливанием в воду, и ке­рамические, получаемые путем грануляции замеса из тонкоиз­мельченных компонентов, соеди­ненных между собой жидким сте­клом. В отличие от плавленых в керамических флюсах могут со­держаться металлические порош­ки — раскислители и легирующие компоненты, так как в процессе

изготовления керамические флюсы, предложенные впервые К. К. Хреновым, не подвергаются нагреву до высоких температур.

Наибольшее распространение в производстве получили плав­леные флюсы различных марок, изготовляемые в крупных про­мышленных масштабах. Плавленые флюсы по своему составу и назначению делятся на алюмосиликатные, предназначенные для сварки сталей различных марок, и фторидные, предназначенные для сварки титановых сплавов и других активных металлов. Алюмосиликатные флюсы имеют различные составы в зависимости от того, стали каких марок подвергаются сварке, так как при взаимодействии со шлаком состав металла сварочной ванны может изменяться. Флюсы разделяются также и по своим физическим свойствам: по структуре зерна они делятся На стекловидные и пемзовидные, по характеру изменения вязкости — на длинные и короткие, по характеру взаимодействия с металлом — на активные и пассивные, которые применяются при сварке среднелегированных сталей.

Типичные составы некоторых плавленых сварочных флюсов приведены в табл. ЮЛ.

Особенности металлургических процессов при дуговой сварке под слоем плавленых флюсов. При дуговой сварке под слоем плавленого флюса следует различать высокотемпературную зону, охватывающую плавящийся торец электрода, капли металла, проходящие дуговой промежуток, и активное пятно дугового разряда в сварочной ванне, и низкотемпературную зону — хвосто­вая часть ванны, где температура приближается к температуре кристаллизации металла (см. рис. 9.40).

В высокотемпературной зоне интенсивно развиваются эндотер­мические реакции, приводящие к легированию и одновременно к окислению металла сварочной ванны компонентами флюса:

Fe + (MnO) → [Мn] + [FeO]; 2Fe + (SiO₂) →[Si] +2[FeO].

В этой же зоне происходит интенсивное окисление углерода стали:

[FeO] + [С] → Fe + CO:

и восстановление кремния марганцем:

2[Mn] + (SiO₂) → [Si] + 2МnО

Следует учесть, что интенсивное перемешивание шлака с ме­таллом приводит к извлечению значительной части FeO в шлако­вую фазу:

[FeO] → (FeO).

В шлаке (FeO) переходит в соответствующие силикаты. Так, по исследованиям В. В. Подгаецкого, плавящийся электрод­ный металл значительно обогащается кремнием и марганцем (флюс АН-348; проволока Св08):

Таблица 10.1. Массовые доли компонентов некоторых сварочных флюсов для сварки сталей

Электродный металл . . . Si = 0,01%; Мn = 0,52%

Капля на торце электрода Si = 0,15%; Мn = 0,63%

Обогащенный кремнием и марганцем металл попадает в сва­рочную ванну и при понижении температуры эти компоненты начинают раскислять металл:

[Мn] + [FeO] → Fe+ (MnO); [Si] +2 [FeO] → 2Fe + (SiO₂).

Но так как основная часть FeO уже извлечена шлаком (см. вы­ше), металл шва после раскисления будет содержать Si = 0,1 % и МnО = 0,60%.

При механизированной дуговой сварке под флюсом почти не происходят потери металла и оценить изменения химического состава металла шва очень удобно по «исходному» со­ставу.

По шлифу (макрострукту­ра) определяют площадь свар­ного шва и, зная разделку под сварку, находят соотношение

количеств расплавленного основного металла т и направленного электродного металла п, а затем, зная состав проволоки и состав основного металла, находят исходный состав, предполагая, что никаких химических реакций не было:

где [x]_н — содержание компонента в исходном металле; [х]о — содержание компонента в основном металле; [x]_э — содержание компонента в электродном металле. Пример определения т и п приведен на рис. 10.2. Если сделать химический анализ получен­ного сварного шва, то состав металла шва [х]_ш не совпадает с «исходным» составом.

Если [x]_ш— [х]_н = A[x]>0, происходит легирование, а если [x]_ш — [x]_и = A[x]<0 — выгорание, что характерно для углерода или активных металлов в стали (Al; Ti). Изучая А[x] для раз­личных компонентов металлов, можно установить переход компо­нентов в зависимости от состава флюса. На рис. 10.3 и 10.4 при­ведены графики перехода кремния и марганца в металл в зависи­мости от основности флюса В (см. гл. 9).

Как видно из приведенных графиков, переход кремния идет лучше из кислых шлаков, а переход марганца — из основных. На рис. 10.5 приведены данные по переходу марганца в зависимо­сти от содержания МnО во флюсе при одинаковой основности флюса. Как видно из приведенного графика, флюсы, содержа­щие менее 10% МnО, содействуют переходу марганца из металла в шлак ∆[Mn]< O, а при содержании МnО свыше 10% начинается переход марганца из шлака в металл. Однако при содержании МnО во флюсе свыше 35% переход марганца оста­ется практически постоянным.

Химическая активность флюса представляет собой функцию его состава и сильно зависит от его основности В, Для расчета основности в предыдущей главе было дано уравнение (9.70).

Коэффициент химической активности флюса А_ф определяет легирование через флюс металла шва кремнием и марганцем в процессе сварки под флюсом. Как было указано ранее, эти эле­менты будут связывать кислород, растворенный в металле, в свои оксиды при температурах, близких к температуре кристаллиза­ции металла («хвостовая» часть ванны). В этом случае образую­щиеся твердые частицы SiO₂, MnO и их возможных соединений (например, MnO·SiO₂) не успеют удалиться из металла свароч­ной ванны и останутся в металле шва в качестве эндогенных включений. Исследования показали, что почти весь кислород, захваченный металлом при сварке, заключается именно в таких неметаллических включениях, а поэтому концентрация кисло­рода в металле [%О₂], определяемая вакуумной экстракцией, характеризует засоренность металла шва неметаллическими частицами.

Наличие в металле эндогенных шлаковых включений, служа­щих концентраторами напряжений, сильно влияет на физико-механические свойства металла шва, в частности, на его пластич­ность и ударную вязкость. При сварке низкоуглеродистых низко­легированных сталей ударная вязкость достаточно большая и влияние концентраторов напряжений мало, но при сварке средне-и высокоуглеродистых и легированных сталей, запас пластично­сти у которых мал, влияние таких концентраторов может привести к образованию холодных трещин или замедленному разрушению при высоком уровне напряжений и при наличии других охрупчивающих факторов (водород).

При подборе флюсов для сварки различных видов сталей можно ориентироваться на коэффициент химической активности флюсов:

высокоактивные — А_ф,>0,6 (ОСЦ-45, АН-348-А, ФЦ-6 и др.);

активные — А_ф=0,6...0,3 (АН-42, АН-26);

малоактивные — А_ф=0,3...0,1 (АН-20, АН-22, ФЦЛ-1 и др.);

пассивные — А_ф < 0,1.

Между основными свойствами металла сварного шва (проч­ностными свойствами и содержанием кислорода и водорода) и химической активностью флюса существуют связи, которые можно передать эмпирическими уравнениями, полученными на основании обработки экспериментальных данных.

Особенности металлургических процессов при сварке под ке­рамическими флюсами. Керамические или неплавленые флюсы для сварки металлов позволяют сохранять все преимущества авто­матической сварки под слоем плавленого флюса (малые потери) металла, высокая производительность, высокое качество сварных соединений), но в то же время позволяют легировать и раскис­лять металл сварочной ванны в очень широких пределах. Керами­ческие флюсы представляют собой порошки различных компонен­тов, образующих шлаковую фазу, изолирующую металл от окис­ления., и ферросплавы или свободные металлы для раскисления и легирования. Все эти порошковые материалы замешивают на растворе силиката натрия Na₂SiO₃ («жидкое стекло») и под­вергают грануляции на специальных устройствах. После этого их просушивают, прокаливают для удаления влаги и хранят в герме­тической таре. Так как в процессе изготовления они не подверга­ются нагреву, то все даже активные металлы в них сохранены и при плавлении флюса они переходят в металл шва, раскисляя его и легируя до нужного состава.

Керамические флюсы классифицируют по назначению и хими­ческому составу. По назначению различают флюсы для сварки и наплавки углеродистых и легированных сталей, цветных ме­таллов и сплавов. По химическому составу шлакообразующей массы флюсы могут быть отнесены к кислым, нейтральным и основным. Кроме того, их делят на несколько типов: марганцово-силикатные (К11), кальций-силикатные (КС1) и флюоритно-основные (Kl, K2, КЗ) и др.

По степени легирования металла шва керамические флюсы делятся на слабо легирующие для сварки низкоуглеро­дистых и низколегированных сталей (АНК-35, АНК-44, АНК-45 и др.) и сильно легирующие для сварки специальных сталей (АНК-34, АНК-47, АНК-48 и др.).

Высокая раскислительная способность керамических флюсов позволяет вести сварку по окисленным кромкам (монтажное строительство, судостроение). Керамические флюсы используют и для сварки цветных металлов — меди и ее сплавов, алюминия и его сплавов и др. Основной недостаток керамических флюсов состоит в том, что они обладают повышенной гигроскопичностью, что требует хранения их в герметичной таре и прокалки перед сваркой.

В составе активных плавленых флюсов всегда имеются фто­риды, главным образом CaF₂, назначение которого сводится не только к регулированию температуры плавления и вязкости шлака, но и к связыванию водорода в более устойчивые соединения, чем пары воды, что предотвращает поглощение водорода металлом при сварке.

Связывание водорода CaF₂ может быть представлено уравнениями:

Излишнее повышение температуры прокалки флюса может не только вызвать удаление влаги, но и частично удалить SiF₄, т. е. понизить его защитное действие в атмосфере дугового разряда.

Керамические флюсы весьма гигроскопичны, могут также содержать гидратную влагу, а поэтому содержание водорода в наплавленном металле под керамическими флюсами может быть несколько выше.