4.7 Металлургические процессы при сварке покрытыми электродами
Основными функциями покрытия являются: защита зоны сварки от соприкосновения с газами воздуха; раскисление металла сварочной ванны; легирование металла шва элементами, обеспечивающими технологическую и эксплуатационную прочность; стабилизация дугового разряда.
Защита зоны сварки может быть шлаковая, газовая и шлако-газовая. Современные электроды создаются на использовании шлако-газовой защиты.
Для осуществления достаточной защиты необходимо нанесение покрытия на электродный стержень в определенных количествах. Количество покрытия может быть оценено как толщиной слоя ∆
где D – диаметр электрода с покрытием; dэл – диаметр электродного стержня, так и относительным весом покрытия
Gотн = Gn/Gc,
где Gn – вес покрытия; Gc – вес покрытой части электродного стержня.
Шлак, образующийся в результате расплавления электродного покрытия, должен иметь определенную вязкость и интервал отвердевания. Поэтому в число шлакообразующих компонентов должны входить такие, которые в нужной степени разжижают шлак и придают вязкостной характеристике требуемый вид. Это – флюсующие материалы или плавни. Все электродные покрытия делятся на четыре группы.
1.Рудно-кислые, т.е. покрытия, в которых в качестве шлаковой основы используются окислы железа, марганца, титана, кремния; газовая защита создается органическими составляющими , которые в процессе нагревания и плавления покрытия образуют газы по реакции:
Поэтому в атмосфере дуги наряду с СО находится значительное количество водорода. Общее количество газов, образующихся при распаде органических веществ, очень велико. Так, например, для покрытия, содержащего 12% органических веществ, количество газов на 1 см3 электрода при температуре 1000 0С и р =1 ата составляет 1300 см3.
Вблизи торца электрода при плавлении покрытия имеет место переход высших окислов в низшие
2(MnO2) → 2(MnО) +O2,
(Fe2O3) + [Fe] = 3(FeO).
В соответствии с константой распределения L = (FeO)/[FeO], (числитель – концентрация закиси железа в шлаке; знаменатель – концентрация закиси железа в ванне) жидкий металл будет обогащаться кислородом.
В качестве раскислителей в покрытиях этой группы используется ферромарганец. Типичными представителями этой группы являются электроды марок ЦМ-7, ОММ-5. Содержание ферромарганца в покрытии достигает 30 %. Большая часть марганца окисляется и частично теряется за счет испарения. Незначительная часть марганца (10 – 15 %) переходит в наплавленный металл, легируя его.
Несмотря на высокое содержание марганца в покрытии, в металле шва концентрация кислорода находится на достаточно высоком уровне. Однако более полное раскисление, путем введения в состав покрытия более сильных раскислителей (например, Al, Si) неизбежно вызывает порообразование, так как при этом увеличивается растворимость водорода, которого в газовой фазе при сварке данными электродами находится значительное количество.
2.Фтористо-кальциевые, т.е. покрытия, созданные на основе карбоната кальция (мрамор) и плавикового шпата (CaF2). Газовая защита создается вследствие диссоциации СаСО3 (СаСО3 → СаО + СО2). В качестве раскислителей используются ферротитан, ферромарганец, ферросилиций. Типичными представителями этой группы являются электроды марки УОНИ-13.
Количество образующихся газов в покрытиях этой группы достаточно велико. Так, при сварке электродами с покрытием УОНИ-13 примерно 20 % от веса покрытия, т.е. около 7 % от веса электродного стержня, дают газовую фазу вследствие распада мрамора. В связи с этим газовая фаза имеет окислительный характер по отношению к жидкому металлу. Этому способствует также наличие в атмосфере дуги паров воды, попадающих из влаги покрытия, оставшейся после прокалки. Содержание (FeO) в шлаке электродов этой группы весьма незначительно и поэтому шлаки не оказывают существенного окисляющего действия. Основным окислителем является газовая фаза.
Благодаря наличию сильных раскислителей (титан, кремний, марганец, а в некоторых марках покрытий и алюминий), несмотря на окислительный характер газовой фазы, в наплавленном металле концентрация кислорода невелика (на уровне содержания его в электродной проволоке). Так как шлаки, образующиеся при плавлении электродов данной группы, имеют явно выраженный основной характер, то образующаяся при раскислении и вводимая в состав покрытия окись кремния SiO2 легко связывается с СаО по реакции
(CaO) + (SiO2) = (CaO*SiO2).
Определенные соотношения между СаО и CaF2 делают возможным получение подвижных шлаков с коротким температурным интервалом отвердевания, обеспечивающих энергичное протекание металлургических процессов и хорошее формирование шва. Вместе с этим хорошая раскисленность металла при высокой основности шлака и достаточно высокой концентрации марганца в сварочной ванне приводит к связыванию серы в сульфиды марганца и удалению ее в шлак. Это делает швы мало чувствительными к образованию горячих трещин.
Из-за высокой степени раскисленности растворимость водорода в ванне достаточно высока, что делает швы склонными к порообразованию при наличии ржавчины на кромках, а также при повышенной влажности покрытия. Тем не менее при соблюдении технологических рекомендаций электроды этой группы позволяют получить сварные соединения с наиболее высокими характеристиками технологической и эксплуатационной прочности.
3.Рутиловые, т.е. покрытия, выполненные на основе рутила (TiO2) с добавками некоторых других шлакообразующих компонентов (например, полевого шпата, магнезита и др.). Газовая защита в покрытиях этой группы создается органическими веществами (целлюлоза, декстрин) и карбонатами. В качестве раскислителя обычно используется ферромарганец. Типичными представителями этой группы являются электроды марки ЦМ-9.
При сварке электродами этой группы в начальной стадии нагревания имеет место интенсивное газообразование как за счет распада органических веществ, так и вследствие диссоциации карбонатов (например, магнезита, по реакции (MgCO3) = (MgO) +CO2. В газовой фазе поэтому наряду с продуктами разложения органических составляющих содержатся СО2, СО и О2, Вследствие чего концентрация водорода в атмосфере дуги меньше, чем при сварке 1-й группы. Это позволяет увеличить степень раскисленности металла за счет увеличения содержания кремния без опасности вызвать порообразование.
Вместе с этим высокая кислотность шлаков приводит к образованию в металле шва дисперсных силикатных включений, увеличивающих суммарное содержание кислорода.
При использовании этих электродов в состав покрытия вводят железные порошки, что значительно повышает коэффициент наплавки. Электроды этой группы обладают высокой технологичностью присварке.
4.Органические, т.е. покрытия, построенные на органических газообразующих компонентах. В некоторые покрытия этой группы вводят определенное количество окислов железа, марганца и титана. В качестве раскислителей используются ферромарганец, ферросилиций. Типичными представителями этой группы являются электроды ОМА-2.
Органические газообразующие вещества при сварке дают большое количество газов (как и электроды первой группы), содержащих СО и Н2. Во избежание насыщения сварочной ванны водородом и порообразования при сварке необходимо повышать степень окисленности сварочной ванны, что осуществляется введением в состав покрытия таких компонентов, как титановый концентрат (TiO2*FeO), марганцевая руда (MnO2) и др.Возможно также введение в состав покрытия фторсодержащих материалов, например, плавикового шпата, который при наличии SiO2 и TiO2 в зоне высоких температур приводит к образованию SiF4 и TiF4, связывающих водород в нерастворимое в металле соединение HF и тем самым ограничивающих растворение водорода в сварочной ванне.
Высокий процент газообразующих в составе покрытия, и, следовательно, обильная газовая защита позволяют ограничиться невысоким относительным весом покрытия при сравнительно небольшом количестве шлака, что делает электроды этой удобными для сварки в положениях, отличных от нижнего.
В основу классификации электродов для сварки конструкционных и теплоустойчивых сталей положены следующие характеристики: механические свойства наплавленного металла, технологические свойства, вид покрытий, а также ряд общих требований для электродов различных типов.
В зависимости от механических свойств электроды для сварки углеродистых и конструкционных сталей (1-я группа) делятся на 15 типов. Тип электрода для сварки сталей 1-ой группы обозначаются буквой Э (электрод) с цифрой, показывающий гарантированный предел прочности наплавленного металла в кГ/мм2. Если в обозначении после цифр стоит также буква А, то это означает, что электроды данного типа обеспечивают повышенные пластические свойства наплавленного металла за счет снижения в нем отрицательного влияния серы и фосфора.
Электроды для сварки легированных теплоустойчивых сталей (2-я группа) делятся на семь типов по механическим свойствам и химическому составу наплавленного металла и обозначаются кроме буквы Э другими буквами, характеризующими состав наплавленного металла (Э-05Х2М).
Технологические свойства электрода определяются такими характеристиками: коэффициентом расплавления, наплавки и потерь, номинальным напряжением, родом тока, пригодностью для сварки в различных пространственных положениях.