Изготовление сварочных и наплавочных материалов. Практикум

Основыизготовленияфлюсов

ским свойствам флюсы этого типа часто уступают флюсам упомяну тых выше типов. Их применяют для одно- и многослойной сварки ме таллоконструкций из высокопрочных сталей ферритно-перлитного, а также сталей ферритно-аустенитного и ферритного классов с высо кими требованиями к коррозионной стойкости и температуре пере хода в хрупкое состояние.

Сварочные флюсы разных классов

Металлургическое поведение флюса характеризуется состояни ем (переход и (или) выгорание) легирующих элементов. Что касается флюсов для сварки, то состояние легирующих элементов представля ет собой разницу между химическим составом наплавленного металла сварного шва и составом указанного электрода. Что касается флюсов для наплавки, состояние легирующих элементов представляет собой разницу между химическим составом наплавленного металла сварно го шва последнего валика либо слоя и химическим составом указан ной проволоки либо ленточного электрода.

Согласно ГОСТ Р ИСО 14174–2021 металлургическое поведение флюсов определяется их классом.

Назначение сварочных флюсов по классу. Согласно ГОСТ РИСО 14174–2021 флюсы относят к различным классам в соответствии с на значением. При этом флюс может относиться более чем к одному клас су. Ниже приведены признаки классов флюсов.

Флюсы класса 1 для дуговой сварки нелегированных и мелкозер нистых сталей, высокопрочных сталей, жаропрочных и коррозион но-стойких сталей.

Как правило, флюсы не содержат легирующих элементов, кроме Mn и Si, поэтому на состав металла сварного шва преимущественно влияет состав проволочного или ленточного электрода и металлурги ческие реакции. Флюсы подходят для сварки и (или) наплавки. Неко торые флюсы могут применяться для многопроходной, однопроход ной и (или) двухпроходной сварки.

В обозначении флюса цифра 1 обозначает класс 1.

Флюсы класса 2 и 2 В для сварки коррозионно-стойких и жаропроч ных сталей, и (или) никеля и никелевых сплавов, и коррозионно-стой

51

Лабораторная работа № 3. Изготовление керамических флюсов для наплавки

койнаплавки.Флюсыэтихклассовмогутсодержатьлегирующиеэлемен ты, компенсирующие выгорание (элементы, потерянные из-за шлака).

Вобозначении флюса цифра 2 соответствует 2 му классу флюсов,

восновном подходящих для сварки, но которые также могут исполь зоваться для наплавки. Обозначение 2В используется для флюсов, спе циально предназначенных для наплавки.

Флюсы класса 3 предназначены в основном для наплавки износо стойких слоев путем переноса из флюса легирующих элементов, та ких как С, Сr или Мо.

Вобозначении флюса цифра 3 — класс 3.

Для флюсов класса 4 неприменимы классы 1–3, например, флюсы для медных сплавов. В обозначении флюса цифра 4 — класс 4.

Металлургическая оценка флюсов разных классов. Флюсы класса 1. Для определения характеристик перехода и выгорания легиру ющих элементов следует использовать проволочный электрод ИСО 14171 A S2 или ИСО 14171 B SU22 в соответствии с определением класса флюса по его металлургическому поведению (с. 54–55).

Обозначения в табл. 5 указывают металлургическое поведение сва рочного флюса класса 1.

* Для Si обозначения 1–4 не применяются.

Флюсы классов 2 и 2В. Для определения характеристик перехода или выгорания следует выбирать проволочные или ленточные электроды в соответствии с табл. 6 и использовать в соответствии с определени ем класса флюса по его металлургическому поведению (см. с. 54–55).

52

Основыизготовленияфлюсов

Переход или выгорание элементов С, Si, Сr и Nb должны быть указаны именно в этой последовательности. Если во флюс добавля ют другие элементы, их записывают соответствующими химическими символами (например, Ni, Мо) сразу после символов С, Si, Сr и Nb.

Таблица 6

Электроды, используемые для определения металлургического поведения флюсов классов 2 и 2В

*Для определения выгорания углерода должны использоваться электроды с массо вой долей С не менее 0,04 %. Для определения выгорания ниобия необходимо ис пользовать электроды 199 NW347.

**N/A — неприменимо.

Обозначения в табл. 7 показывают металлургическое поведение флюсов классов 2 и 2В.

53

Лабораторная работа № 3. Изготовление керамических флюсов для наплавки

Флюсы класса 3. Легирующие элементы указывают с помощью хи мических символов (например, С, Сr, Мо), а их приблизительное коли чество — без знака процентов. Для определения режима перехода сле дует использовать проволочный электрод ИСО 14171 A S2 или ИСО 14171 B SU22 в соответствии с определением класса флюса по его ме таллургическому поведению (с. 54–55).

Флюсы класса 4. Состав легирующих элементов должен быть обо значен соответствующими химическими элементами.

Определение класса флюса по его металлургическому поведению. Для определения флюсов классов 1 и 2 должен быть наплавлен металл шва в соответствии с табл. 8. Для флюсов классов 3 и 4 металл шва должен быть наплавлен в соответствии с рекомендациями производителя.

Поверхностный оксид на контрольной части образца для хими ческого анализа должен быть удален механической обработкой или шлифованием. Образец для химического анализа должен быть взят из верхнего слоя наплавленного металла шва. Образец не должен со держать место начала сварки или кратер.

Для химического анализа может быть применен любой подходя щий аналитический метод, но при разбросе результатов следует ис пользовать результаты химического анализа по стандартизирован ным методам.

* Если требуются только операции переменного тока или постоянного и перемен ного тока, тестовая сварка должна выполняться только на переменном токе.

54

Основыизготовленияфлюсов

Обозначение рода тока. В ГОСТ Р ИСО 14174 приведенные ниже обозначения указывают род тока (переменный или постоянный):

DC — обозначение постоянного тока; АС — обозначение переменного тока.

Использование переменного тока (АС), как правило, подразуме вает возможность использования постоянного тока (DC).

Особенности выбора флюсов в зависимости отсостава свариваемого металла

Для сварки низкоуглеродистых сталей применяют в основном две системы: флюс — электродная проволока. В обеих системах использу ют высококремнистые флюсы (36–50 % SiO2), что обеспечивает леги рование шва кремнием за счет кремневосстановительного процесса. В первой системе используют высокомарганцовистый флюс в соче тании с проволокой из низкоуглеродистой стали без легирующих до бавок. Это обеспечивает легирование шва марганцем за счет флюса. Наибольшее распространение получили флюсы марки АН 348АМ для полуавтоматической сварки и АН 348А для автоматической сварки. Флюсы различаются по содержанию фтористого кальция и по разме ру зерен.

Во второй системе используют безмарганцевый флюс в сочетании с высокомарганцевой проволокой. Это обеспечивает легирование шва марганцем за счет электродной проволоки.

Первая система получила преимущественное распространение в отечественной практике, вторая — за рубежом.

Для сварки низколегированных сталей требуются флюсы, обеспе чивающие защиту сварочной ванны от атмосферного влияния и до статочную стойкость сварного соединения к возникновению холод ных и горячих трещин. Для сварки этого класса сталей применяют флюсы оксидного и солеоксидного классов, коэффициент химиче ской активности (Аф) которых выбирают в соответствии со значени ем эквивалентного углерода [Cэкв] наплавляемого металла (табл. 9). При этом непригодны химически активные высокомарганцевые вы сокосиликатные флюсы, засоряющие металл большим количеством дисперсных неметаллических включений оксидного характера, се рой и фосфором.

55

Лабораторная работа № 3. Изготовление керамических флюсов для наплавки

Для сварки высоколегированных сталей применяют флюсы на осно ве шлаковой системы CaF2–CaO–MgO–Al2O3 с минимальной хими ческой активностью. В их составе отсутствует оксид марганца и сни жено содержание кременезема (SiO2). Флюорит CaF2 (плавиковый шпат) обеспечивает образование легкоотделяемых легкоплавких шла ков. Уменьшение содержания кремнезема компенсируется повыше нием концентрации глинозема (Al2O3), двуокиси циркония (ZrO2) или титана (TiO2). Указанные оксиды, аналогично кремнезему, повыша ют вязкость флюса и делают его длинным, т. е. увеличивают диапазон температур его плавления.

При использовании кремнемарганцевых кислых флюсов техноло гический процесс сварки меди достаточно прост и обеспечивает воз можность получения высоких и стабильных механических свойств без предварительного подогрева. Однако в металл шва переходят Si и Мn, в результате чего ухудшаются тепло- и электрофизические свойства соединений по сравнению с основным металлом. Применение бес кислородных фторидных флюсов, которые содержат MgF2, NaF, BaF2, позволяет получать швы, удельное сопротивление которых в 1,5 раза ниже, а теплопроводность в 2 раза выше принятых. Применение кера мических флюсов позволяет раскислить металл шва и получить элек тро- и теплопроводность металла шва на уровне основного металла. С увеличением толщины металла, керамические флюсы становятся ограниченно пригодными, т. к. не обеспечивают требуемой плотно сти и необходимой пластичности соединения.

Процесс сварки титана выполняют только при использовании бес кислородных флюсов, на основе хлоридных и фторидных солей ще лочных металлов, основные компоненты которых — фториды (CaF2, NaF) и хлориды (ВСl2, NaCl). Примесь кислорода в них полностью от сутствует, поскольку она снижает пластичность шва.

При сварке алюминия и алюминиевых сплавов, для металла толщиной 50–250 мм применяют электрошлаковую сварку под флюсами на осно

56

Основыизготовленияфлюсов

ве хлористых солей щелочных и щелочно-земельных металлов. Сварку алюминиевых сплавов толщиной 10–16 мм выполняют с использова нием фторидно-хлоридных флюсов. Флюсы обладают большой элек тропроводностью даже в нерасплавленном состоянии и шунтируют дугу, что нарушает стабильность процесса. Поэтому механизирован ную сварку обычно ведут по слою флюса, не погружая в него электрод. Для алюминиево магниевых сплавов используют флюсы, не содержа щие NaCl, т. к. в результате восстановления натрия усиливается пори стость и снижается пластичность сварных швов.

Строение и размер частиц

Вотечественной практике флюсы классифицируют по внешним характеристикам зерен.

По строению частиц (крупки) плавленые флюсы подразделяют на стекловидные флюсы, пемзовидные и кристаллические. Стекло видный флюс представляет собой прозрачные зерна различных оттен ков (коричневого, зеленого, синего, черного и белого цветов). Пем зовидный флюс имеет зерна пенистого материала, а кристаллический флюс характеризуется кристаллическим строением зерен. Окраска этих флюсов может быть также самой разнообразной.

Объемная масса пемзовидных флюсов составляет 0,6–1,0 кг/дм 3, стекловидных и кристаллических — 1,4–1,8 кг/дм 3. Промежуточное положение занимают флюсы полупемзовидного строения.

Согласно ГОСТ Р 52222–2004 размеры зерен у поставляемых флю сов составляют 0,25–4,00 мм, причем для механизированной дуговой­ сварки предназначен флюс с размером зерен 0,25–1,60 мм, для ав томатической дуговой сварки — с размером зерен 0,25–2,30; 0,25– 4,00; 0,35–3,00; 0,35–4,00 мм. Так, флюсы марки АН 348 А, ОСЦ 45, АН 20С, АН 26П имеют размер зерен 0,35–3,00 мм; флюсы марки АН 348 АМ, ОСЦ 45 М, ФЦ 9, АН 20С — 0,25–1,60 мм; флюсы мар ки АН 22 и АН 26С — 0,35–4,00 мм; флюс марки АН 26 СП — 0,250– 4,00 мм. Стекловидные флюсы с размером зерен не более 1,6 мм пред назначены для сварки электродной проволокой диаметром не более 3,0 мм.

Вобозначении марки флюса буквы означают: М — мелкий; С — стекловидный; П — пемзовидный; СП — смешанный.

57

Лабораторная работа № 3. Изготовление керамических флюсов для наплавки

Согласно ГОСТ Р ИСО 14174–2021 гранулометрические данные не являются частью обозначения флюса, но должны использоваться для информации при маркировке упаковок флюса. Диапазон размеров­ гранул должен обозначаться для наименьшего и наибольшего разме ров гранул в соответствии с табл. 10 или выражаться в миллиметрах.

Гранулометрический состав флюсов определяют путем рассева на вески через соответствующие контрольные сита (методика указана, например, в ГОСТ 28555–90). Диапазон размеров гранул, указанный на упаковке, должен отражать диапазон, который составляет не менее 90 % массовой доли флюса.

Пример типового обозначения диапазона гранул: от 2 до 16 или от 0,2 мм до 1,6 мм.

Содержание диффузионного водорода в наплавленном металле сварного шва

В ГОСТ Р 52222–2004, ГОСТ 28555–90, ГОСТ 30756–2001 пере числены предельно допустимые значения содержания влаги во флю се, являющейся источником водорода. Количество диффузионного водорода не регламентируется.

Для плавленых флюсов, согласно ГОСТ Р 52222–2004, влажность флюсов перед их использованием для сварки не должна превышать:

— 0,05 % массы флюса для флюсов марок АН 348 АП, АН 60, АН 47Д, АН 47ДП, АН 67А, АН 67Б, ОСЦ 45П, ФЦ 21, ФЦ 22, АН 18, АН 2011, АН 20С, АН 22;

— 0,08 % массы флюса для флюсов марок АН 8, АН 15 М, АН 47, ФЦ 16, ФЦ 16А, ФЦ 17, ФЦ 18, ФЦ 19;

58

Основыизготовленияфлюсов

— 0,1 % массы флюса для остальных марок.

Для керамических флюсов, согласно ГОСТ 28555–90, влаж ность флюсов перед их использованием для сварки не должна пре вышать 0,1 %.

Вуказанных стандартах также регламентированы методики изме рения влажности, основанные на сравнении массы флюса до и после прокалки при температуре (300 ± 10) °C в сушильном шкафу в тече ние (60 ± 5) мин.

По ГОСТ Р ИСО 14174 можно определить содержание диффузи онного водорода. Обозначения в форме на с. 59 указывают на содер жание диффузионного водорода в наплавленном металле сварного шва, определенное согласно ГОСТ 34061–2017 [11] с использовани ем проволочного электрода ИСО 14171 A S2 или ИСО 14171 B SU22.

Вметоде сбора и измерения диффузионного водорода, использую щего ртуть по ГОСТ 34061–2017, отличаются способ задания времени выдержки образцов по сравнению с ISO 3690:1977 [12] или DIN 8572- 1–1981 [13], а также размеры образцов по сравнению с AWS А4.3:1993

[14].Кроме того, из ГОСТ 34061–2017 исключены старые методы вы деления водорода, использующие глицерин. Указанные альтернатив ные методы сбора и измерения диффузионного водорода могут быть использованы для испытаний при условии, что по результатам кали бровки они обладают равной точностью и повторяемостью по сравне нию с ГОСТ 34061–2017.

Обозначение максимального содержания диффузионного водорода в наплавленном металле сварного шва

Если в сертификате на флюс указано обозначение диффузионно го водорода, производитель должен предоставить информацию о ре комендуемом роде тока и условиях прокалки флюса для достижения требуемого содержания водорода.

59

Лабораторная работа № 3. Изготовление керамических флюсов для наплавки

Порядок выполнения работы

Цель работы — ознакомиться с технологией изготовления и кон тролем качества керамических флюсов, получить практические на выки работы.

Необходимые материалы. Керамический флюс, изучаемый в про цессе лабораторной работы, предназначен для механизированной из носостойкой наплавки элементов металлургического оборудования, работающих на абразивный износ.

Для изготовления флюса марки ЖСН 2 используются порошко­ образные материалы и жидкое калийнатриевое стекло, имеющее плот ность ρ = 1,35 г/см 3; силикатный модуль М = 3,0; вязкость η = 600 сП.

Ниже приведены данные для контроля качества.

Флюс ЖСН 2, в сочетании с низкоуглеродистой проволокой марки Св 08 или Св 08А, обеспечивает троосто-сорбитную структуру и вы сокую стабильность получения химического состава наплавленного металла.

Химический состав наплавленного металла, мас. %:

C, Si = 0,30…0,35; Cr = 2,0…2,2; Mn = 0,9…1,4; S = ≤0,030; Р = ≤0,030.

Цвет зерен серый с оттенками; размер зерен — 0,30–3,00 мм; стро ение зерен в виде крупки; объемная масса — 1,0–1,20 г/см 3.

Металлургические свойства: флюс ЖСН 2 относится флюоритноосновному типу (FB) и к группе низкокремнистых флюсов с химиче ской активностью Аф = 0,14…0,21. В основе флюса — базовая шлако вая система MgO + CaF2 + Al2O3 + SiO2. Он легирует наплавляемый металл углеродом, хромом, марганцем, кремнием, раскисляет его ти таном и марганцем.

Наплавка производится на постоянном токе обратной полярно сти. Максимально допустимый ток — 800 А; максимально допусти мая скорость сварки — 40 м/ч; минимально допустимое напряжение холостого хода источника питания — 65 В; прокалка 2 ч при темпе ратуре (360 ± 20) °С; рекомендуемая проволока марок Св 08, Св 08А, Св 08ГА.

Сварочно-технологические свойства флюса марки ЖСН 2: устой чивость горения дуги хорошая; разрывная длина дуги — 8 и более мм; формирование шва хорошее, без особенностей; склонность наплав

60