Котиков Г.С. Учебное пособие Сварка и резка металлов

устойчивость дуги должна быть достаточной, шлаковая корка должна легко удаляться с поверхности шва по окончании сварки.

При плавлении флюса не должны выделяться в большом количестве вредные газы и дым, особенно при сварке в тесных помещениях, внутри котлов и резервуаров и т. п. Флюс не должен быть слишком гигроскопичным; зерна его должны иметь достаточную механическую прочность, допускающую многократную подачу флюса к месту сварки и уборку нерасплавившейся части флюса без чрезмерного дробления зерен и образования большого количества пыли, снижающей качество сварки. Флюс засыпается на место сварки толстым слоем, 50-60 мм. В процессе сварки расплавляется лишь 20% флюса, образующего шлаковую корку, остальная, нерасплавившаяся часть флюса, должна быть убрана и затем снова использована при сварке.

Современные флюсы для автоматической сварки разнообразны по назначению, составу и свойствам. В зависимости от способа изготовления флюсы бывают плавленые и неплавленые.

Плавленые изготовляют сплавлением в печах; они представляют собой обычно более или менее сложные силикаты, по свойствам близкие к стеклам. В состав плавленых флюсов можно вводить лишь вещества, растворяющиеся в расплаве, не разлагающиеся и не улетучивающиеся при температуре выплавки флюсов; это, в первую очередь, окислы и галоидные соединения металлов. Роль плавленых флюсов ограничивается созданием шлаков, довольно пассивных в металлургическом отношении.

Неплавленые флюсы представляют собой механические смеси порошкообразных и зернистых материалов. В них можно вводить любые вещества, независимо от их взаимной растворимости и устойчивости при высоких температурах: свободные металлы, ферросплавы, углеродистые вещества, карбонаты и т. д. Поэтому неплавленые флюсы позволяют интенсивно проводить различные металлургические процессы легирования, раскисления, модифицирования, создавать защитную газовую атмосферу в зоне сварки и т. д. и являются мощным средством управления металлургическими процессами при сварке и их регулирования.

41

В зависимости от состава шлака флюсы бывают кислые и основные. По содержанию во флюсах соединений марганца и кремния различают флюсы высоко- и низкомарганцовистые или соответственные кремнистые; по наличию или отсутствию фтора во флюсе - фтористые или бесфтористые и т. д.

По назначению различают флюсы для сварки низкоуглеродистых сталей, легированных специальных сталей, цветных металлов, для наплавочных работ и т. п.

9.1. Плавленые флюсы

Сварка под флюсом отличается следующими металлургическими особенностями. Исходный металл, основной и электродный, обычно отличается достаточной чистотой и вполне удовлетворительным химическим составом. В процессе сварки низкоуглеродистой стали наиболее сильно испаряется и выгорает марганец; наплавленный металл окисляется с образованием закиси железа, поэтому флюс должен быть хорошо раскислен, что совместно с электродной проволокой приводит к повышению содержания марганца в ванне. Но и совершенно раскисленный флюс, т.е. не содержащий высших окислов марганца и оксида железа, в условиях сварки вступает в химическое взаимодействие с расплавленным металлом.

Наиболее важными являются реакции восстановления окислов марганца и кремния флюса расплавленным железом, так называемый кремне- и марганцевосстановительный процесс:

MnO + Fe = FeO + Mn и SiO2 + 2Fe = 2FeO + Si

Физические свойства флюса не менее важны, чем его химический состав. Температура плавления флюса, как правило, не должна превышать 12000С. Вязкость флюса в расплавленном состоянии должна быть незначительной. В большинстве случаев лучшие результаты обеспечивают флюсы, дающие при расплавлении короткий шлак.

Для уменьшения вязкости флюса и снижения его температуры плавления применяют специальные добавки; например, природный минерал - плавиковый шпат, по химическому составу представляющий собой почти чистый фтористый кальций. Од-

42

нако при сварке он образует вредные газы, содержащие фтор, а также снижает устойчивость горения дуги.

Плавленые флюсы производятся следующим путем. Составные части флюса - марганцевая руда, кварцевый песок, плавиковый шпат и т.д. - смешивают в измельченном состоянии в нужном соотношении и загружают в плавильную печь. По расплавлении шихты и получении однородности жидкий продукт при температуре около 14000С впускается тонкой струей в грануляционный бак с проточной водой, где распадается на отдельные зерна и затвердевает в аморфной стекловидной форме без кристаллизации. Затем флюс сушат, дробят на вальцах и пропускают через сита для разделения на фракции.

9.2. Керамические неплавленые флюсы

Главной особенностью керамических флюсов является способ их изготовления. Составные части флюса тонко измельчаются, смешиваются в нужных соотношениях и замешиваются на водном растворе жидкого стекла в густую пасту, как для покрытия электродов. Полученная сырая масса гранулируется, т.е. превращается в зерна размером 1-3 мм, затем подсушивается, прокаливается 2 ч при температуре 300-4000С для удаления остатков влаги и повышения механической прочности зерен за счет реакции схватывания жидкого стекла с частицами флюса. Прокаливанием заканчивается изготовление керамического флюса. Каждое зерно керамического флюса состоит из многих тысяч мелких частиц, смешанных в надлежащих соотношениях и прочно скрепленных.

Для создания шлака в состав керамических флюсов вводятся различные минеральные вещества. Принципиальным, очень важным преимуществом керамических флюсов является возможность введения в них веществ, разлагающихся при высоких температурах с образованием газов, защищающих зону сварки. Для этой цели вводят карбонат кальция в форме мрамора, разлагающийся при высоких температурах с образованием двуокиси углерода. В процессе сварки особенно важно раскисление металла. Для этой цели в керамические флюсы вводят такие сильные раскислители как металлические титан, кремний, иногда алюминий. При этом часто попутно удается удалить большую

43

часть серы, снизив ее содержание до нескольких тысячных долей процента, для чего шлаку придается основной характер за счет повышения содержания в нем окиси кальция.

Преимуществом керамических неплавленных флюсов для сварки низкоуглеродистых сталей является малая чувствительность к различным загрязнениям поверхности металла и к ржавчине, что позволяет снизить требования к очистке поверхности, проводить сварку на открытом воздухе в сырую погоду; при этом получается плотный металл без пор с высокими показателями механических свойств.

10. Электрошлаковая сварка

Исследования в Институте электросварки им. Е.О. Патона по вертикальной сварке под флюсом с принудительным формированием привели к созданию принципиально нового способа электросварки, получившего название электрошлаковой сварки. Этот вид сварки плавлением тесно связан с дуговой сваркой под флюсом. Процесс начинается, как дуговая сварка, и постепенно переходит в электрошлаковую, которая при нарушениях снова легко переходит в дуговую сварку. В обоих случаях сходны общая технологическая схема, флюсы, одинаковы электроды, источники питания током, но имеется и весьма существенное, принципиальное различие. При электрошлаковой сварке отсутствует дуговой разряд, что дает основание считать электрошлаковую сварку самостоятельным способом электросварки.

Источником нагрева при электрошлаковой сварке является тепло, выделяющееся при прохождении электрического тока через расплавленный шлак.

Шлак, получаемый расплавлением флюса, периодически подаваемого в ванну, представляет собой расплавленный электролит, проводимость которого быстро растет с повышением температуры. Охладившийся и затвердевший шлак практически не проводит тока и является изолятором.

Флюсы для электрошлаковой сварки должны отвечать дополнительным требованиям: иметь высокую температуру кипения, отличаться минимальным газообразованием при высоких температурах, иметь низкие стабилизирующие свойства, плохо

44

поддерживать горение дуги и даже подавлять его, способствуя переходу дугового процесса в электрошлаковый.

Рис. 10.1. Электрошлаковая сварка: а) – однофазным током; б) - трехфазным

Расход флюса на образование тонкой шлаковой корки под ползунами очень мал и составляет не более 5% наплавленного металла, т. е. в 15-30 раз меньше, чем при обычной сварке под флюсом. Снижается и расход электроэнергии на 1 кг наплавленного металла, так как уменьшается расход энергии на плавление флюса.

Наплавленный металл при электрошлаковой сварке, в противоположность обычной сварке под флюсом, образуется главным образом за счет расплавленного электродного металла. Доля основного расплавляемого металла снижена до 10 - 20%.

11. Дуговая сварка в защитных газах

Применение защитных газов началось вместе с изобретением дуговой сварки, но при ручной сварке плавящимися сменяемыми электродами удовлетворительные результаты получить не удавалось, поэтому защитные газы используют лишь при механизированной автоматической и полуавтоматической сварках или при ручной электродуговой сварке неплавящимся электродом, о чем написано ниже.

45

11.1. Автоматическая сварка в защитных газах

В процессе дуговой сварки происходит энергичное взаимодействие расплавленного металла с кислородом и азотом атмосферного воздуха. При отсутствии специальных защитных мер химический состав и механические свойства наплавленного металла резко ухудшаются. Способы защиты расплавленного металла можно разделить на две большие группы:

Рис. 11.1. Схема дуговой сварки в защитном газе: а) – внешняя подача газа; б) – подача газа из горелки

-создание шлаковой защиты дуги и сварочной ванны, что было рассмотрено ранее, т. е. сварка под слоем флюса;

-создание газовой защиты дуги и сварочной ванны.

Способ газовой защиты заключается в том, что в зону дуги 1 непрерывно подается струя защитного газа 2. Такой способ получил название «дуговая сварка в защитном газе». Для устранения вредного влияния атмосферного воздуха, вызывающего хрупкость наплавленного металла, с начала 20-х годов вели опыты по вдуванию защитного газа в дугу. В качестве защитных газов применяли азот, водород, всевозможные углеводородные газы, пары жидких углеводородов и спиртов, двуокись и окись углерода, ацетилен, ацетилено-кислородную смесь, аммиак и т.д. Наиболее удовлетворительные результаты дали водород и газовые смеси, богатые водородом и окисью углерода.

По современным представлениям водород относится к числу газов, вредных при сварке большинства металлов, в том числе стали. Малые размеры атома водорода делают его хорошо растворимым во многих металлах. Резкие изменения растворимости

46

водорода в металлах с изменением температуры, переход из двухатомной в одноатомную форму и наоборот, а также образование водяного пара в массе металла при встрече водорода с кислородом, имеющимся в металле, приводят к образованию пор и трещин.

Исключение водорода, водородосодержащих газов и азота из числа защитных газов затруднило подбор газовой защиты при дуговой сварке. И тут было обращено внимание на инертные одноатомные газы. Весьма перспективной оказалась сварка в инертных газах неплавящимся вольфрамовым электродом, а при высоких плотностях тока удовлетворительные результаты дает сварка плавящимся стальным электродом в углекислом газе.

11.2. Сварка в инертных газах

Инертные, или благородные газы - это гелий, неон, аргон, криптон и ксенон. Они имеют целиком заполненные замкнутые наружные электронные оболочки, а потому не способны ни к каким химическим реакциям и не соединяются ни с какими веществами. Все эти элементы представляют собой одноатомные трудносжигаемые газы, имеющие атомы довольно значительных размеров и практически нерастворимы в металлах.

Сопоставление гелия и аргона показывает в большинстве случаев значительные преимущества аргона, который и является сейчас основным защитным газом для дуговой сварки.

Особенностями гелия, ценными для некоторых случаев сварки, являются его высокая теплопроводность и потенциал ионизации, увеличивающие температуру и теплосложение газа столба дуги, т.е. гелий делает газ дуги как бы «более горячим». Помимо чистых аргона и гелия иногда применяется смесь этих газов, а также аргон с добавкой небольшого количества кислорода.

11.3. Сварка в аргоне

Сварка в аргоне применяется преимущественно для изделий из более дорогих сортов металла: специальных сталей, легких сплавов алюминиевых и магниевых, титана и пр. Алюминиевые и магниевые сплавы свариваются без флюсов и не требуют последующей очистки от остатков флюса, что является крупным преимуществом.

47

Сварка в аргоне очень высокопроизводительна, в особенности на металле малых и средних толщин (2-8 мм). Она возможна во всех пространственных положениях, место сварки доступно визуальному наблюдению, качество сварного соединения высоко. Аргон - почти идеальный защитный газ - не оказывает вредное влияние на металл, не растворяется в металле, негорюч, неядовит. Единственный недостаток аргона - он дорог; технология его производства очень трудоёмка, а для сварки требуется аргон высокой чистоты.

11.4. Сварка в углекислом газе

Углекислый газ СО2 в 1,5 раза тяжелее воздуха (значительный удельный вес-преимущество для защитного газа), неядовит, негорюч, недефицитен, сравнительно дешев. Под давлением может быть превращен в жидкость, доставляемую в баллонах. При высокой температуре диссоциирует – СО2 = СО + О.

СО2 и СО практически нерастворимы в металлах. СО2 окисляет металл по реакции СО2 + Ме =МеО + СО

Окислительное действие СО2 при сварке можно довольно легко нейтрализовать, вводя в электродный металл некоторый избыток раскислителей, марганца и в особенности кремния.

Способ обеспечивает высокую производительность сварки, мало чувствителен к ржавчине и другим загрязнениям основного металла, за процессом сварки легко наблюдать. Недостаток способа - сильное разбрызгивание металла при токах свыше 500 А, требующее частой очистки сопла горелки. Поверхность швов имеет худший внешний вид по сравнению со сваркой под флюсом.

12. Дуговая сварка неплавящимся электродом

Неплавящийся электрод или совсем не плавится в процессе дуговой сварки, или, если и плавится, то незначительно, и его материал не принимает существенного участия в образовании наплавленного металла и сварного шва.

Сварка неплавящимся угольным электродом является старейшим способом дуговой сварки, первым изобретением Н. Н. Бернардоса. Известно несколько видов неплавящихся электродов, пригодных для использования дуговой сварки. Угольные

48

электроды представляют собой стержни из электротехнического угля, изготовляемого прессованием порошкообразной смеси из кокса и сажи, замешанных на каменноугольной смоле. После прессования стержни длительно обжигают в специальных печах без доступа воздуха. Они матово-черного цвета, твердые.

Уголь или синтетический графит - это единственный настоящий неплявящийся электрод. Уголь может быть расплавлен только при очень высоком давлении. При нормальном атмосферном давлении при нагревании до температуры 48000С уголь не плавится, а испаряясь, переходит из твердого состояния непосредственно в газообразное.

Широко применяются электроды из вольфрама - самого тугоплавкого металла; температура его плавления 33700С, кипения - около 60000С.

12.1. Сварка угольным электродом

В настоящее время сварка угольной дугой имеет второстепенное значение по сравнению со сваркой плавящимся металлическим электродом. Однако сварка угольной дугой все же имеет промышленное применение. Дуга зажигается между угольным электродом и основным металлом (рис. 12.1.). Обычно применяются постоянный ток и прямая полярность (минус на угольном электроде). Угольный электрод не плавится в дуге, его конец разогревается до очень высокой температуры, создающей мощную термоэлектронную эмиссию. Теплопроводность материала угольных электродов мала, пэтому возможно поддерживать высокую температуру катода и получать вполне устойчивую дугу уже при токах 3 – 5 А.

Рис. 12.1. Сварка угольной дугой

49

Для сварки угольной дугой применяются электроды из электротехнического угля и синтетического графита. Нормальные электроды имеют форму стержней круглого сечения диаметром 6 – 25 мм и длиной 200 - 300 мм с концом, заточенных на конус. Графитные электроды во всех отношениях лучше угольных, и их следует предпочитать.

Достаточно небольшого содержания СО в газовой смеси, чтобы заметно улучшить качество наплавленного металла. Угольный электрод можно применять для сварки различных материалов, в том числе стали, чугуна, алюминия, меди, бронзы и других металлов.

12.2. Сварка вольфрамовым электродом

Сварка вольфрамовым электродом является весьма важным видом дуговой сварки, широко применяемым в производстве изделий из легированных сталей, алюминия, магния и различных легких сплавов, тугоплавких металлов и металлов, активных к кислороду, металлов малых толщин (менее 1 мм) и т.д. Вольфрам, самый тугоплавкий металл, в настоящее время производится в больших количествах для широкого промышленного применения.

Рис. 12.2. Горелка для аргонодуговой сварки: 1 –подвод инертного газа; 2 – подвод тока; 3 – вентиль газа; 4 – мундштук; 5 – сопло; 6 – держатель электрода; 7 - электрод

Нагретый вольфрам энергично соединяется с кислородом и быстро сгорает, поэтому вольфрамовый электрод нельзя применять для сварки на воздухе. Он применим только в защитных

50