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»

АНАЛИЗ ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫХ

ПРОЦЕССОВ ПРИ ДУГОВОЙ СВАРКЕ ПОД ФЛЮСОМ

Методические указания к лабораторной работе 7

по курсу «Теория сварочных процессов»

для студентов специальностей 150202, 150401, 170102

всех форм обучения

Нижний Новгород

2007

Составитель Б.П. Конищев

УДК 621.791

Анализ окислительно-восстановительных процессов при дуговой сварке под флюсом: метод. указания к лаб. работе 7 по курсу «Теория сварочных процессов» для студентов специальностей 150202, 150401, 170102 всех форм обучения / НГТУ; сост.: Б.П. Конищев. Н. Новгород, 2007.- 11 с.

Приводится методика исследования взаимодействия металла и шлака при дуговой сварке под флюсом, экспериментального определения и расчета концентрации марганца, кремния и др. элементов.

Редактор Э.Б. Абросимова

Подписано в печать 17.08.07

Формат 60х84 1/16. Бумага газетная. Печать офсетная. Усл. печ.л. 0,75

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 взаимодействия металла и шлака при дуговой сварке под флюсом, экспериментальное определение изменения концентрации элементов.

2. Теоретическая часть

Химическое взаимодействие с металлом расплавленного шлака, образующегося при плавлении сварочного флюса, в значительной степени определяется соотношением в его составе кислых, основных и амфотерных оксидов. Фториды и хлориды обычно считают химически нейтральными соединениями. Поэтому все компоненты, входящие в состав сварочных шлаков, можно разделить по их химическим свойствам на 4 вида:

1. Кислые: SiO₂,TiО₂, ZrO₂, МnО₂, B₂О₃, Р₂О₅ и др. оксиды.

1. Основные: СaО, MgO, MnO, FeO, ВaО, Na₂O, K₂O, NiO и др. оксиды.

2. Амфотерные: Al₂O₃, Fe₂O₃, Mn₂O₃, Cr₂O₃ и др. оксиды.

3. Нейтральные: CaF₂, MgF₂, BaF₂, NaF, KF, AlF₃ и др. фториды,

NaCl, KCl, CaCl₂, MgCl₂, BaCl₂ и др. хлориды.

Критерий основности (В) или кислотности (К) шлака рассчитывается по уточненной формуле МИС (Международного института сварки):

. ( 1 )

Шлаки считаются кислыми при В<1, основными - при В>1 и нейтральными - при В = 1.

Между компонентами шлака происходит сложное взаимодействие, которое приближенно описывается молекулярной и ионной теориями строения шлака.

Согласно молекулярной теории шлак состоит из свободных и химически связанных (в комплексные соединения) оксидов и солей, между которыми существует подвижное химическое равновесие:

(МnSiO₃) (MnО) + (SiO₂), ( 2 )

где (MnO), (SiO₂) - свободные оксиды;

(МnSiO₃) - комплексное химическое соединение (силикат марганца).

С повышением температуры шлака это равновесие смещается вправо, происходит диссоциация комплексных соединений на свободные оксиды.

Свободные оксиды взаимодействуют с металлом и поэтому называются активными. Комплексные соединения с металлом не взаимодействуют.

Содержание свободного оксида в шлаке, не связанного в комплексные соединения и способного химически взаимодействовать с металлом, называется активной концентрацией или активностью оксида в шлаке:

( 3 )

где - полная концентрация оксида в шлаке (свободного и связанного в комплексные соединения);

- коэффициент активности оксида в шлаке;

- активность или активная концентрация оксида в шлаке.

Увеличение в шлаке содержания кислых оксидов снижает активность основных, а увеличение содержания основных оксидов в шлаке уменьшает активность кислых.

В табл. 1 приведены экспериментальные значения активной концентрации или активности оксида SiO₂ для сварочных шлаков различного состава и основности В.

Таблица 1

Сварочный флюс	В	Состав флюса, % (молярный)
		SiO2	MnO	CaF2	CaO	MgO	Al2O3
ФЦ-6	0,58	44,0	46,0	2,3	4,3	1,8	1,2	37,9
АН-348А	0,64	48,3	31,7	5,0	6,8	10,2	1,4	43,0
АН-63*	0,66	43,8	17,8	5,0	16,8	3,7	5,5	36,7
АН-60	0,71	48,2	36,5	3,7	8,8	10,0	1,4	41,5
АН-8	0,76	38,1	24,5	11,6	9,4	7,5	8,7	21,5
АН-42	0,83	37,5	17,0	15,8	19,8	-	9,9	21,0
АН-26	1,15	29,9	3,1	20,0	8,3	25,0	13,7	29,1
АН-22	1,46	25,3	6,8	18,5	14,9	20,0	13,5	24,7
АН-15М	2,78	10,4	-	18,5	14,9	20,0	13,5	3,1
АН-28	3,36	9,9	-	12,0	50,5	0,9	25,6	2,3

Примечание : АН-63* TiO₂ = 7 %.

В условиях дуговой сварки под флюсом между металлом и шлаком протекают химические реакции, которые не идут в обычных условиях литейного производства. К таким реакциям относятся кремне- и марган-цевосстановительные процессы, идущие вправо с поглощением теплоты (эндотермические реакции):

(SiО₂)+ 2[Fe] 2([FeO])+[Si] – ( 4 )

(МnО)+ [Fe] ([FeO])+[Mn] – ( 5 )

Квадратными скобками обозначены вещества, находящиеся в металле, а круглыми - в шлаке. Двойными скобками отмечен оксид FeO, растворимый в металле и шлаке.

В соответствии с принципом Ле Шателье протеканию реакций вправо способствуют особые температурные и концентрационные условия, которые наблюдаются при дуговой сварке под флюсом:

1. Высокотемпературная зона сварки (температура столба дуги около 6000°С, температура капель, анодного и катодного пятен 2500°C).

2. Большие активные концентрации SiO₂ и МnО в расплавленном шлаке.

3. Низкие исходные концентрации Si и Mn в жидком металле (металле капель и сварочной ванны).

4. Низкие исходные концентрации FeO в металле и шлаке.

В низкотемпературной зоне («хвостовой» части сварочной ванны и в условиях литейного производства стали), при малых активных концентрациях SiO₂ и МnО в шлаке, больших исходных концентрациях Si и Мn в металле, а также FeO в металле и шлаке реакции протекают влево. Это реакции раскисления стали кремнием и марганцем.

Направление протекания реакций при сварке можно оценить по изменению концентрации элемента

[Э] = [Э]_ш-[Э]_и, ( 6 )

где [Э]_ш- содержание элемента в шве,

[Э]_и - исходная концентрация элемента в сварочной ванне.

Исходная концентрация элемента в сварочной ванне определяется по соотношению

[Э]_и = _м[Э]_м +(1-_м)[Э]_п ( 7 )

где [Э]_м, [Э]_п – содержание элемента в основном металле и сварочной проволоке;

_м - доля участия основного металла в образовании сварочной ванны, которая определяется по соотношению площадей проплавления F_np и наплавки F_H

Доля участия основного металла м в образовании шва определяется по содержанию площадей проплавления F_пp и наплавки F_н:

. ( 8 )

При многослойной наплавке доля участия основного металла уменьшается в каждом последующем слое и начиная с 5-го слоя _м  0. Поэтому для 5-го слоя наплавки и последующих слоев

[Э]_и=[Э]_п, [Э] = [Э]_ш-[Э]_п ( 9 )

В табл. 2 приведены результаты химического анализа сварочных проволок и верхнего слоя (5 слоя) наплавки под флюсами разных марок.

Таблица 2

Флюс	Металл	Состав, %			Металл	Состав, %
		С	Si	Mn		С	Si	Mn
-	Cв-08	0,06	0,01	0,36	Св-12ГС	0,13	0,08	0,89
АН-30	Шов	0,06	0,06	0,32	Шов	0,11	0,66	0,83
АН-20	Шов	0,05	0,34	0,17	Шов	0,10	1,01	0,47
АН-22	Шов	0,05	0,05	1,06	Шов	0,10	0,36	1,56
АН-10	Шов	0,05	0,12	1,89	Шов	0,06	0,39	2,17
АН-348А	Шов	0,08	0,49	1,17	Шов	0,05	1,04	1,76

Химический состав флюсов, под которыми проводилась 5-слойная наплавка, приведен в табл. 3.

Таблица 3

Флюс	Состав, %
	SiO2	MnO	CaF2	CaO	MgO	Al2O3	FeO	K2O
АН-30	3,3	0,1	31,2	17,8	16,0	40,6	1,0	-
АН-20	22,0	0,3	31,7	5,6	10,8	29,0	0,8	2,8
АН-22	17,9	7,8	22,8	12,5	12,4	23,4	1,0	1,5
АН-10	22,1	31,7	21,0	6,5	0,6	19,5	1,1	0,4
АН-348А	41,3	37,5	5,0	4,8	5,8	2,9	0,9	-

При наплавке проволокой Св-08 [Si] > 0 под всеми этими флюсами, а [Мn] > 0 только под флюсами АН-22, АН-10 и АН-348А (таблица2). Это означает, что реакции (4) и (5) при сварке идут вправо. Под флюсами АН-30 и АН-20 [Мn] < 0, т.е. реакция (5) идет влево, марганец окисляется.

При наплавке проволокой Св-12ГС [Si] > 0 только под флюсами АН-20 и АН-348А, а [Мn] > 0 под флюсами АН-22, AH-10, AH-348A. Восстановление Si и Мn по реакциям (4) и (5) возрастает при увеличении содержания SiO₂ и МnО в шлаке и при уменьшении исходных концентраций Si и Мn в металле.

Влияние основности шлака В на содержание Si и Мn в шве при их постоянных исходных концентрациях представлено на рис. 1 и 2. Основность шлака определялась отношением В = (СаО+MgO)/SiO₂. При низкой исходной концентрации кремния в сварочной ванне [Si]_и= 0,02 % даже при достаточно высоких значениях В происходит восстановление кремния [S]_ш>[Si]_и (рис. 1). Повышая исходную концентрацию кремния в сварочной ванне, можно достигнуть пассивности по кремнию, т.е. [Si] = 0. При этом пассивная концентрация кремния в ванне будет тем ниже, чем меньше содержание SiO₂ во флюсе и больше основность флюса.

При постоянной концентрации во флюсе (МnО) = 12-15 % повышение основности шлака усиливает восстановление марганца из флюса и увеличивает содержание [Мn]_ш (рисунок 2). Пассивным по марганцу будет флюс при В  0,75. Окисление марганца происходит при сварке под флюсами с низкой основностью В< 0,75.

Рис. 1. Зависимость содержания Si в шве от основности флюса В

Рис. 2. Зависимость содержания Mn в шве от основности флюса В