Лекція.

Тема: Коефіцієнт корисної дії дуги. Продуктивність процесів електричного зварювання плавленням. Погонна енергія та її визначення.

Електрична енергія, споживана дугою, в основному перетворюється в тепло. Теплову потужність електричної дуги можна прийняти рівною тепловому еквіваленту q 0 електричної енергії

q 0 = 0,24 · I св · U д кал / сек,

нехтуючи теплом, що йде на хімічні реакції в дуговому проміжку і кілька, що змінює тепловий баланс дуги.

Не всі тепло зварювальної дуги йде на нагрів вироби: частина тепла витрачається на нагрівання нерозплавлені частини електрода, частина - на випромінювання в навколишній простір, деяка кількість тепла втрачається з краплями електродного металу при його розбризкуванні. Тому вводять поняття ефективної теплової потужності зварювальної дуги.

Ефективна теплова потужність зварювальної дуги ( q) - це кількість тепла, введене в метал вироби в одиницю часу, рівне

q = Q / t, кал / сек

де Q - кількість тепла, введене в метал, кал; t - час горіння дуги, сек.

Втрати тепла зварювальної дуги в результаті випромінювання на нагрівання електрода для різних способів зварювання будуть різні.

Величиною, що характеризує тепло, що витрачається на нагрівання металу, є коефіцієнт корисної дії процесу нагрівання вироби зварювальної електричної дугою ( n). ККД зварювальної дуги представляє собою відношення ефективної теплової потужності зварювальної дуги ( q) до теплового еквівалента її електричної потужності ( q 0), т. е.

n = q / q 0

Ефективний ККД залежить від технологічних умов зварювання. При зварюванні відкритою металевою дугою n = 0,5-0,85, при зварюванні під шаром флюсу n = 0,8-0,95, а при зварюванні вугільної дугою n = 0,5-0,65.

Ця різниця в значеннях ККД виходить у зв'язку з тим, що при зварюванні металевою дугою частину тепла, що йде на розплавлення електрода, з краплями металу буде переходити в зварювальну ванну, а при зварюванні під флюсом, крім того, значно зменшуються втрати тепла в навколишній простір. Значення ККД буде залежати від способу зварювання, матеріалу електродів, складу покриттів і інших чинників.

Література: http://svarka.ukrtechno.info/index.php?mod=text&uitxt=390

Лекція.

Тема: Розкислювання металу шва при ручному зварюванні.

Розкислення металу при зварюванні - це процес видалення з нього кисню будь-якими шляхами.

Необхідність розкислення пояснюється неминучістю деякого окислення металу газової або шлакової фазами і зварюванням недостатньо розкислення сталі (киплячих або напівспокійних). Так, при зварюванні вуглецевих киплячих сталей дротом марок Св-08, Св-08А або Св-08АА навіть в аргоні в хвостовій частині зварювальної ванни буде протікати реакція відновлення заліза вуглецем:

[C] + [FeO] = [Fe] + CO. (4.27)

Нерозчинна в рідкому металі окис вуглецю може не встигнути виділитися з кристалізується металу зварювальної ванни. Утворюються пори - газові включення. Щоб не допустити вигорання вуглецю в металі зварювальної ванни треба мати не менше 0,15% кремнію і 0,75% марганцю.

Розкислення металу може йти двома шляхами - хімічним (облягати розкислення) і фізичним (дифузійне розкислення).

При хімічному розкисленні реакція протікає за наступною схемою:

[FeO] + [Pa] = (PaO) + [Fe]. (4.28)

Продукти розкислення (PaO) нерозчинні в металі (як би випадають в осад, тому і називають облягають розкислюванням), а розчинні в шлаку.

Елементи-розкислювачі повинні мати спорідненість до кисню більше, ніж розкислюючого елемента. Оксид розкислителя повинен бути конденсованими, нерозчинним в металі, а розчинним в шлаку. Температура плавлення оксиду повинна бути нижче температури плавлення розкисляють металу, а питома вага менша від питомої ваги металу.

Зазвичай для хімічного розкислення застосовують не менше двох розкислювачів. Це пояснюється наступним:

- Жоден розкислювач не може повністю видалити кисень, так як реакція завжди йде до рівноважного стану;

- При наявності двох розкислювачів передній частині зварювальної ванни діє сильніший розкислювач, в хвостовій - менш сильний. При наявності тільки одного розкислювача в міру його згоряння в хвостовій частині зварювальної ванни посилюється реакція вигоряння вуглецю, що може привести до пористості металу шва;

- Застосовувані розкислювачі повинні утворювати різні за своїм характером оксиди (кислотні та основні або основні та амфотерні), щоб взаємодіючи між собою, вони утворювали комплексні сполуки, легко розчинні в шлаку. У цьому випадку вдається вивести в шлакову фазу більшу частину ендогенних продуктів реакції розкислення.

Для хімічного розкислення сталей вуглець зазвичай не використовують, так як вуглець:

- Призводить до пористості металу шва;

- Сприяє утворенню як холодних, так і гарячих тріщин при утриманні в сталях більше 0,2%;

- Збільшує радіаційну крихкість металу;

- Збільшує схильність нержавіючих сталей до міжкристалітної корозії;

- При збільшенні свого змісту в сталях на 0,1% підвищує поріг хладноломкості на 20 0С;

- Сприяє крупно крапельному переносу електродного металу.

Тому зазвичай при зварюванні сталей вміст вуглецю в зварювальному дроті не перевищує 0,12%.

Для розкислення сталей найчастіше застосовують кремній і марганець. Наприклад, для зварювання низьковуглецевих сталей використовують зварювальні дроту Св-08ГА, Св-10га, Св-10Г2, Св-10ГС, Св-12ГС.

Вводити Si і Mn в зварювальну ванну можна з електродного покриття або керамічного флюсу, де дані елементи містяться у вигляді феросплавів - Fe-Mn, Fe-Si. У складі керамічного (не плавленного) флюсу зміст металевих добавок обмежують до 20%, щоб уникнути переходу дугового процесу в електрошлаковий.

Введення Si і Mn в зварювальну ванну в невеликих кількостях (до 1%) можливо за рахунок відновлювальних процесів. Для переходу з флюсу кремнію в зварювальну ванну в кількості (0,1 ¸ 0,2)% необхідно мати у флюсі двоокису кремнію не менше (40 ¸ 45)%. Для переходу марганцю з флюсу в зварювальну ванну в кількості (0,3 ¸ 0,4)% треба мати у флюсі закису марганцю не менше (35 ¸ 38)%.

При використанні без кремністого флюсу, що містить двоокис титану TiO2 = (10 ¸ 20)%, можливий перехід титану в зварювальну ванну в кількості (0,02 ¸ 0,10)%.

Дифузійне (фізичне) розкислення заснована на утворенні комплексних оксидів на поверхні розділу фаз шлак-метал. Утворилися комплексні сполуки переходять в шлакову фазу. Для видалення FeO з сталей необхідно мати в шлаку вільні кислотні оксиди - SiO2 або TiO2. Реакція протікає в такий спосіб:

[FeO] + (SiO2) ® (FeO × SiO2). (4.29)

Дифузійне розкислення протікає повільно. Зі збільшенням вмісту в шлаку SiO2 шлак стає густим, довгим, малорухливим. Для збільшення його хімічної активності підвищують вміст в ньому CaF2 або замінюють частину SiO2 на TiO2. За своїм характером SiO2 і TiO2 сильні кислотні оксиди, але якщо SiO2 збільшує в'язкість шлаку, то TiO2 її зменшує. Крім того, заміна SiO2 на TiO2 покращує зварювально-гігієнічні умови праці, так як утворюється при виготовленні флюсу і в процесі зварювання SiF4 існує в газоподібному стані до температури -95 0С, а ТiF4 - тільки до +290 0С. Отже, в зоні дихання зварника ТiF4 буде відсутній.

Для підвищення хімічної активності шлаку його ще можуть понижати, наприклад, наступним чином:

(FeO × SiO2) + (Mn) ® (MnO × SiO2) + [Fe]. (4.30) 

Дифузійне розкислення в процесі зварювання не грає великої ролі, воно супроводжує хімічне розкислення, сприяючи більшому видалення продуктів розкислення зі зварювальної ванни.

Розкислення кольорових металів здійснюється як і сталей хімічним і дифузійним шляхом.

При зварюванні мідних сплавів в принципі можна використовувати ті ж розкислювачі, що і при зварюванні сталей, так як спорідненість міді до кисню менше, ніж у заліза. Але коефіцієнт теплопровідності міді майже в 10 разів більше, ніж у низьковуглецевих сталей. Тому швидкість охолодження більше, а час існування зварювальної ванни відповідно менше. Отже, для кращого розкислення треба застосовувати більш сильні розкислювачі.

Дифузійне розкислення здійснюється за рахунок використання у флюсах борної кислоти Н3ВО3 або бури Na2B4O7 × 10H2O. В цьому випадку утворюються борати ZnO × B2O3, Cu2O × B2O3, MnO × 2B2O3, що видаляються в шлакову фазу.

Нікелеві сплави використовуються головним чином в хімічній промисловості. Тому в металі шва не повинно бути шлакових включень. Нікель має високу чутливість до домішок (перш за все до вуглецю і сірки) і розчиненим газам. Зварювання в середовищі аргону в даний час є основним способом зварювання нікелю і його сплавів. При цьому застосовують комплексне легування титаном, алюмінієм, кремнієм, марганцем (£ 1,5%), магнієм (£ 0,1%) шляхом використання відповідної дроту.

Титан і його сплави розкислюють тільки відповідної дротом.

Використовують комплексне легування алюмінієм (до 1%), цирконієм (до 1%), ренієм (Re £ 0,2%), рідкоземельними металами (ітрієм U, гадолинием Gd), гафнію Hf.

Алюміній і його сплави розкисляють розчиненням алюмінієвої плівки у флюсі. Вхідний у флюс кріоліт - Na3AlF6 при температурі 1000 0С (середня температура зварювальної ванни при дугового зварювання алюмінію) розчиняє до 20% від своєї ваги Al2O3. Що входять до складу флюсів фтористі і хлористі солі призводять до утворення HCl і HF, які переводять Al2O3 в летюча з'єднання. Крім того, при взаємодії Al2O3 з фтористий солями утворюється оксифторида алюмінію змінного складу AlxOyFz, легко розчиняється в шлаку.

Література: http://theorysp.ru/raskislenie-metalla-pri-svarke-2/