6. Легирование металла при сварке плавлением

В целях обеспечения высоких эксплуатационных свойств сварных соединений металл сварочной ванны легируют специальными элементами (добавками).

При сварке процесс легирования осуществляют, в основном, путем введения в сварочную ванну легирующих элементов в металлическом состоянии в виде сплавов. Легирование в этом случае происходит в результате следующих процессов:

- поступление легирующего элемента из расплавляющегося при сварке основного свариваемого металла;

- поступление легирующего элемента из присадочного металла;

- введение легирующего элемента в состав покрытия при сварке штучными электродами или керамического флюса при автоматической сварке под флюсом.

При рассмотрении легирования металла шва пользуются так называемыми коэффициентами усвоения легирующего элемента

К_усв = ,

где К_усв – суммарный коэффициент усвоения элемента Ме; [Ме]_ш – количество элемента Ме в металле сварного шва; [Ме]_о.м, [Ме]_э.п, [Ме]_д – количество этого элемента соответственно в основном металле, электродной проволоке и металлической добавке в керамический флюс или покрытие электрода; , (1 - ), с – доля участия в образовании металла сварного шва основного металла, электродной проволоки и металлической добавки во флюсе или покрытии электрода соответственно.

Рассмотрим участие этих составляющих в легировании металла шва при автоматической сварке под флюсом. Суммарно долевое участие всех составляющих металла шва (основного Ме, электродной проволоки, и металлической добавки из флюса) равно 1. При этом доля основного Ме () в первом слое шва (наплавки) в зависимости от режима сварки, свойств основного металла и электродной проволоки составляет 0,5-0,8.

Доля участия металлической добавки из флюса в составе шва определяется, в основном, количеством металлической добавки во флюсе и зависит от свойств флюса и режима сварки.

Ее величина может быть определена формулой

с = к (% Ме) = 0,003 (% Ме),

где % Ме - содержание металлической добавки в составе флюса, %.

В связи с тем, что количество металлических добавок во флюсе обычно не превышает 20-25% величина с, как правило, меньше 0,08.

На основании этого формула К_усв принимает следующий вид

К_усв = .

Для электродов с покрытием обычно применяют другую схему расчета. Одной из основных характеристик электродов является состав наплавленного металла, который получается при сварке (наплавке) электродами, т.е. металла не зависящего от состава основного свариваемого металла.

Состав металла шва обычно определяется долевым смешиванием основного и наплавленного металлов

[Ме]_ш = [Ме]_о.м + (1-) [Ме]_н.м,

где [Ме]_о.м, [Ме]_н.м – концентрация элемента Ме в основном и наплавленных металлах; (1- ) – доли основного и наплавленного металлов в шве.

Для расчета состава наплавленного металла пользуются коэффициентами перехода

К_{пер. Ме} = ∆Ме_н..м / Ме_э

Однако пользоваться общим количеством элемента в электроде Ме_э и его количеством в наплавленном металле ∆Ме_н.м не удобно. Поэтому в ряде случаев при расчетах используют относительные количества, т.е. концентрации рассматриваемого элемента в электроде (с отношением этой величины к металлической части электрода [Ме]_э и к наплавленному металлу [Ме]_н.м.

В этом случае К_{пер. Ме} = [Ме]_н.м / [Ме]_э. При таком расчете возможно получение значений коэффициентов перехода  1.

Пример: Металлическая часть электрода состоит из 80% Fe, 18% Ni и 2,0% Aℓ. Если расплавленная часть электрода составит 100 г, то расход Fe = 80 г, Ni = 18 г, Aℓ = 2,0 г. Принимая во внимание, что потери на испарение и разбрызгивание будут пропорциональны их количеству в электроде, а потери на окисление определяются сродством элементов к кислороду, то общие потери этих элементов окажутся различными. Можно предположить, что в наплавленном металле будет Fe_н.м = 70 г, Ni_н.м = 16,5 г и Aℓ_н.м = 0,5 г (т.е. всего 87 г). Это будет соответствовать уже иному составу наплавленного металла: 80,3% Fe, 19,1% Ni и 0,57% Aℓ.

Расчет коэффициентов перехода К′_пер и К_пер дает следующие результаты:

К′_{пер Fe} = 70/80 = 0,875, К′_{пер Ni} = 16,5/18 = 0,92 и К′_{пер Aℓ} = 0,5/2 = 0,25.

К_{пер Fe} = 80,3/80 = 1.005, К_{пер Ni} = 19,1/18 = 1,06 и К_{пер Aℓ} = 0,57/2 = 0,285. Из представленных данных видно, что соотношение между коэффициентами перехода, рассчитанными по обеим схемам, достаточно близки друг к другу, поэтому обычно проще пользоваться относительными значениями К_пер.

Коэффициенты перехода элемента из электродной проволоки и электродного покрытия не одинаковы (из покрытия меньше).

Коэффициенты перехода различных элементов зависят также от типа покрытия и степени связывания кислорода покрытия, введенными в него раскислителями. При сварке легированных сталей обычно используются покрытия на фтористо-кальциевой основе.

Легирование наплавленного металла и металла шва в результате обменных реакций используется обычно при необходимости введения не очень большого количества легирующих элементов. Наиболее распространенными являются обменные реакции с оксидами [Ме′] + (Ме′′О) ↔ [Ме′О] + [Ме′′], в которых Ме′′ выступает как легирующий элемент.

Легирование воздействием газовой фазы на металл имеет при сварке второстепенное значение. При газовой сварке, дуговой сварке плавящимся электродом в среде углекислого газа и при использовании электродных покрытий, содержащих большое количество углекислых солей, происходит науглероживание металла. В целом процессы науглероживания должны рассматриваться как отрицательные, а легирование по этой схеме может применятся только при наплавке.