Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. Р.Е. Алексеева

Кафедра «Машиностроительные технологические комплексы.

Обработка давлением и сварочное производство»

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СОСТАВА СВАРОЧНЫХ ФЛЮСОВ

НА ОБРАЗОВАНИЕ ПОР, ВЫЗЫВАЕМЫХ РЖАВЧИНОЙ

Методические указания к лабораторной работе 8

по курсу «Теория сварочных процессов»

для студентов специальностей 150202, 150401, 170102

всех форм обучения

Нижний Новгород

2007

Составитель Б.П. Конищев

УДК 621.791

Изучение влияния состава сварочных флюсов на образование пор, вызываемых ржавчиной: метод. указания к лаб. работе 8 по курсу «Теория сварочных процессов» для студентов специальностей 150202, 150401, 170102 всех форм обучения / НГТУ; мост.: Б.П. Конищев. Н. Новгород, 2007.- 12 с.

Приводится методика исследования влияния состава сварочных флюсов на образование пор, вызываемых ржавчиной.

Редактор Э.Б. Абросимова

Подписано в печать17.08.07.

Формат 60х84 1/16. Бумага газетная. Печать офсетная. Усл. печ.л.

Уч.-изд.л. 0,5 Тираж 150 экз. Заказ .

Нижегородский государственный технический университет.

Типография НГТУ. 603950, Н.Новгород, ул. Минина, 24.

© Нижегородский государственный

технический университет, 2007

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ - исследование влияния состава плавленых флюсов при дуговой сварке на образование пор, вызываемых ржавчиной.

2. Теоретическая часть

2.1. Образование пор, вызываемых растворимыми в металле газами (азотом и водородом)

Основным источником азота в зоне сварки является воздух. Парциальное давление азота воздуха составляет кПа. Молекулярный азот при высоких температурах в зоне сварки диссоциирует на атомы

N₂ = 2N - 712,6 кДж/моль. ( 1 )

На рис.1 показана зависимость от температуры степени диссоциации X азота в сопоставлении с кислородом и водородом. В отличие от этих газов в столбе дуги (6000 К) азот диссоциирует значительно меньше, большая часть азота остается в молекулярной форме. Частично в присутствии кислорода при высоких температурах образуются и окислы азота, в частности NО.

Азот в некоторых металлах (медь, серебро, золото) практически нерастворим и может применяться при сварке таких металлов как защитный нейтральный (инертный) газ.

В железе и железных сплавах азот растворяется и образует при температурах ниже 600°С химические соединения – нитриды Fe₄N и Fe₂N:

4Fe + 0,5N₂ =Fe₄N - 18,8 кДж/моль, ( 2 )

2Fe + 0,5N₂ =Fe₂N - 16,3 кДж/моль. ( 3 )

При сварке голой стальной электродной проволокой без применения защиты зоны сварки от атмосферного влияния концентрация азота в наплавленном металле может достигать значений [N]_ш =0,105-0,218 % в зависимости от диаметра электрода d:

[N]_ш =1/(3,6+d). ( 4 )

Источником водорода в зоне сварки является атмосферная, конденсатная влага на поверхности металла, влага ржавчины, электродных покрытий, сверочных флюсов и защитных газов (углекислого газа и др.). Водяной пар при высоких температурах диссоциирует на водород.

Другим источником водорода являются органические газообразующие компоненты электродных покрытии, горючие газы (водород, ацетилен С₂Н₂, пропан С₃Н₈, бутан С₄Н₁₀ и др.) и жидкости (бензин, керосин), защитная смазка на поверхности металла и проволоки. При разложении в сгорании органических веществ в зоне сварки образуется водород.

В столбе дуги (6000 К) молекулярный водород практически полностью диссоциирует на атомарный (рис.1):

Н₂ =2Н - 434,6 кДж/моль . ( 5 )

Азот и водород растворяются в металле в атомарном виде. Растворимость (содержание) газов в металле в соответствии с законом распределения (при постоянной температуре) определяемся их парциальным давлениями в газовой фазе, контактирующей с металлом:

, ( 6 )

где ,-парциальные давления атомарных азота и водорода в газовой фазе;

, -парциальные давления молекулярных азота и водорода в газовой фазе;

, ,,-константы растворимости азота и водорода, зависящие от температуры, фазового и агрегатного состояния металла и от принятой системы единиц измерения.

Растворимость азота и водорода в стали (1 % Мn) в зависимости от температуры при постоянном парциальном давлении газов показана на рис.2.

Растворимость газов в металле очень сильно зависит от температуры. По мере роста температуры растворимость газов увеличивается, претерпевая скачкообразные изменения в момент полиморфных превращений железа. При переходе железа из твердого состояния в жидкое наблюдается скачкообразное увеличение растворимости газов. По мере повышения температуры расплавленного металла растворимость газов увеличивается сначала быстро, затем все медленнее. Кривая растворимости проходит через максимум, при дальнейшем повышении температуры растворимость газов начинает падать и достигает нуля при температуре кипения металла.

Максимальная растворимость азота составляет 0,47 см³/г- при температуре 2200°С, а водорода - 0,43 см³/г при 2400°С. Эти температуры соответствуют температуре капель электродного металла (Т_к = 2200–2500 °С), значит, максимальное насыщение азотом и водородом должно происходить в столбе дуги при переносе электродных капель.

По мере охлаждения металла растворимость газов снижается. При уменьшении температуры вплоть до температуры кристаллизации снижение растворимости происходит постепенно и образовавшиеся пузырьки газа всплывают на поверхность жидкой ванны.

Резкое, скачкообразное падение растворимости газов (азота в 4 раза, а водорода в 1,7 раза) наблюдается в процессе затвердевания сварочной ванны. При таком резком увеличении количества выделившегося газа не весь газ успевает выйти на поверхность сварочной ванны и в затвердевшем металле образуются поры.

Для предотвращения возможности попадания азота в сварочную ванну следует обеспечить надежную защиту зоны сварки от окружающего воздуха, для чего применяются покрытые электроды, порошковые проволоки, сварочный флюс, защитные газы и вакуум. При сварке соединений с зазором необходимо обеспечить защиту от попадания воздуха через зазор путем применения специальных подкладок, флюсовых подушек, поддува газа, подварки корня шва и др. способов.

Эффективным способом предупреждения пор является введение в сварочную ванну сильных нитридообразующих элементов, особенно Zr, Ti, Ce, Al. По химической активности к азоту элементы располагаются в следующий ряд (активность возрастает справа налево):

Hf, Zr, Ti, Ce, Al, Ta, Nb, V, Mo, Cr, Fe

Рис. 1. Зависимость степени Х диссоциации газов от температуры

Рис. 2. Зависимость растворимости газов в железе от температуры

Эти элементы вводятся через сварочную проволоку, электродные покрытия, порошковые проволоки, керамические флюсы и основной металл. Существуют сварочные проволоки Св-15ГСТЮЦА и Св-ГСТЮА (ГОСТ 2246-70), предназначенные для дуговой сварки голой проволокой без дополнительной защиты от воздуха. Наличие в этих проволоках Zr, Ti, Ce, Al обеспечивает связывание азота в сварочной ванне в термически стойкие нитриды ZrN, TiN, CeN, AlN. Благодаря этому предупреждается образование пор, вызываемых азотом.

Для того чтобы снизить количество водорода, поступающего в зону дуги, следует удалять ржавчину и органические загрязнения (смазку и др.) с поверхности сварочной проволоки и свариваемых кромок, тщательно прокаливать электродные покрытия и сварочные флюсы, очищать от влаги защитные газы.

Для уменьшения поступления водорода из атмосферы дуги в сварочную ванну следует связывать водород в газовой фазе в соединения, нерастворимые в жидком металле, например, во фтористый водород НF или - гидроксил ОН. Эти газы являются термически стойкими соединениями, диссоциирующими на атомарный водород в значительно меньшей степени, чем молекулярный водород и водяной пар (рис. 3). Это позволяет резко уменьшить количество водорода, поглощаемого металлом, если водород в газовой фазе будет находиться в виде НF или ОН.

Для связывания водорода в НF сварочные флюсы, электродные покрытия и порошковые проволоки должны иметь два компонента: SiO₂ и СаF₂. Реакция образования НF протекает в два этапа - сначала в шлаке, а затем в газовой фазе:

1 этап 2(СaF₂)+3(SiO₂) = 2(CaSiO₃)+SiF₄; ( 7 )

2 этап 3Н+SiF₄ =SiF+3HF. ( 8 )

Соотношение содержания SiO₂ и CaF₂ в составе флюса весьма важно для предупреждения пор. На рис. 4 приведена графическая зависимость между содержанием этих компонентов во флюсе, полученная экспериментальным путем (при внесении 3 мг ржавчины на 1 мм длины шва). Составы флюсов, расположенных на рис. 4 выше кривой (гиперболы), обеспечивают отсутствие пор в металле шва. Эта кривая выражается уравнением

, ( 9 )

по которому можно рассчитать содержание СaF₂ во флюсе (в зависимости от содержания в нем SiO₂), обеспечивающее стойкость шва против пор при внесении ржавчины 3 мг/мм по длине шва.

Кремнезем SiO₂ в шлаке (флюсе, электродном покрытии) можно заменить на TiO₂, а плавиковый шпат СаF₂ -на другие фторида (NaF, KF, MgF₂).

Повышение основности шлака, например, за счет увеличения СаО (даже при постоянном содержании SiO₂) тормозит протекание реакции ( 7 ) вправо и уменьшает стойкость против образования пор, вызываемых водородом.

Для связывания водорода в гидроксид ОН необходимо наличие в сварочных флюсах, электродных покрытиях и порошковых проволоках карбонатов (СаСО₃, МgCO₃ и др.), высших оксидов железа (Fe₂O₃) и марганца (МnО₂, Mn₂O₃).

Рис. 3. Зависимость парциального давления Н в газовой фазе от температуры

Рис. 4. Влияние содержания SiO₂ и CaF₂ во флюсе на пористость металла

При высокотемпературной диссоциации этих компонентов в газовую фазу выделяются СО₂ и О₂, связывающие водород в гидроксил:

СО₂+Н=СО+ОН, О₂+2Н=2ОН. ( 10 )

Подобные реакции протекают при дуговой сварке в СО₂, газовых смесях Аr+СО₂, Аr+O₂, Ar+CO₂+O₂ и особенно СО₂+O₂. Добавка СО₂ и О₂ к аргону и другим газам повышает стойкость против пор, вызываемых водородом.

Снижение количества водорода, растворенного в сварочной ванне, достигается также при сварке на постоянном токе при обратной полярности (плюс на электроде). Это явление обусловлено тем, что избыток электронов на катоде наблюдаемый при сварке на постоянном токе, сдвигает влево реакцию, происходящую на поверхности сварочной ванны:

Н[H⁺]+е, ( 11 )

т.е. задерживает образование протонов, растворяющихся в жидком металле, что приводит к снижению содержания водорода в сварочной ванне.

Кроме того, при сварке постоянным током обратной полярности покрытыми электродами или под флюсами, содержащими фтор, над поверхностью сварочной ванны, являющейся при сварка катодом, образуется слой фтор-ионов F^-, интенсивно соединяющийся с водородом, что предотвращает попадание водорода в сварочную ванну: Н⁺+F^- =HF,

Следующий способ борьбы с образованием пор основан на удалении из сварочной ванны до начала ее кристаллизации водорода в виде ОН (при сварке стали) или Н₂О (при сварке меди). Повышенная окисленность металла обеспечивает протекание в сварочной ванне реакций вправо:

[FeO]+[H]=[Fe]+OH, [Cu₂O]+[H]=[Cu]+H₂O. ( 12 )

Поэтому в кислые электродные покрытия не вводят сильных раскислителей (Si, Ti, Al), полностью не раскисляют сварочную ванну, металл шва соответствует кипящей стали. В этом случае обеспечивается стойкость против пор, вызываемых водородом, который выделяется из органических газообразующих покрытия.