Методичка - металург. процессы / Методичка - Покрытые электроды

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучить состав и свойства электродный покрытий. Ознакомиться с методами оценки металлургических свойств газовой фазы и шлаков, образующихся при сварке электродами различных типов.

2.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1.Изучить состав и свойства электродных покрытий различных типов;

2.оценить окислительные свойства газовой фазы при сварке электродами различных марок;

3.определить химическую активность шлаков электродов различных марок и оценить их применимость для сварки конкретных сталей;

4.методом определения разрывной длины дуги оценить устойчивость дугового процесса при сварке на постоянном и переменном токе электродами основного и рутилового типа.

3.ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Ручная дуговая сварка выполняется покрытыми электродами, конструктивно представляющими собой металлический стержень с нанесенным на его боковую поверхность покрытием из смеси порошков минералов, ферросплавов, различных металлических лигатур, оксидов и связующих веществ. Количество покрытия на электроде определяется коэффициентом:

Где K n − коэффициент массы покрытия.

Gn − масса покрытия электрода

GCT − масса металлическогостержня

Коэффициент массы и состав покрытия электродов определяются рядом их металлургических и технологических функций. К металлургическим функциям относятся: защита плавильного пространства от воздушной атмосферы; раскисление, легирование и рафинирование металла сварочной ванны, стабилизация дугового разряда. Легирование и раскисление металла шва возможно как с помощью электродного стержня, так и с композицией электродного покрытия. Газошлаковую защиту, стабилизацию дуги и рафинирование металла осуществляют только введением соответствующих компонентов в покрытие. Эти компоненты условно разделяются на ионизирующие, газообразующие, шлакообразующие, раскислители, легирующие и связующие. Для увеличения степени ионизации дуги, что очень важно при условии частого повторного ее зажигания при ручной дуговой сварке, в покрытие вводят элементы с низким потенциалом ионизации

(ВЭ): К-4,34; Na-5,13; Ca-6,11, Ba-5,2; Cs-3,9.

Эти элементы содержаться в минералах и в сухом остатке водного раствора силикатов натрия и калия, применяющихся в качестве связующего действий воздуха осуществляется с помощью продуктов распада вводимых в покрытие электрода органических соединений: полиэтилена, целлюлозы, крахмала и карбонатов: кальцита CaCO3, доломита (Ca, Mg) [CO3]2, поташа K2CO3 и соды кальцинированной Na2CO3. разлагаясь в реакционной зоне, газообразующие компоненты дают следующие газы: CO2; CO; H2; H2O. Органические соединения при температуре несколько выше 2000С разлагаются по семе (3.2).

При распаде в нормальных условиях одного грамма обычных соединений такого типа C12(H2O)11 и C24(H2O)23 выделяется около 1400-1500 мл окиси углерода и водорода, остающийся углерод в количестве 0.035-0.016 г или может окислиться до CO, или раствориться в металле. Реакция (3.2) происходит вблизи торца электрода, вследствие нагрева покрытия при сварке. Выделяющиеся газы в значительной степени попадают в дуговой промежуток, нагреваются, расширяются и вместе с относительно холодными частями газов, отходящими с конвективными потоками от дуги в стороны, оттесняют окружающий воздух. При нагреве объем защитных газов увеличивается в 3-4 раза, и такое их количество (до 4000 мл из 1г органических соединений) обеспечивает достаточную изоляцию реакционного пространства от воздуха. Содержание азота в металле шва при этом не превышает 0.02% против 0.01% в электродном стержне, что допустимо.

Диссоциация карбонатов дает несколько больше, чем в рассматриваемом случае, количество защитного газа CO2:

CaCO3 → CaO + CO2 → CO + 1 2 O2 (3.3)

Температура начала диссоциации большинства карбонатов довольно высока (6009000С), и выделение защитного газа происходит в реакционной зоне мощным потоком, направленным из образующейся на покрытии втулки.

Наибольшую относительную часть покрытия составляют шлакообразующие. Получающийся в результате сварки шлак преимущественно формируется за счет покрытия, хотя не исключено изменение состава шлака в результате пополнения его оксидами и другими соединениями, поступающими из основного металла и электродного стержня в результате металлургических реакций.

К шлакообразующим компонентам относятся рутиловый и ильменитовый концентраты, содержащие соответственно до 98 и 50% TiO2, концентрат плавикошпатовый, в котором до 97% CaF2; периклаз MgO (до 92%); кварцевый песок SiO2 (до 97%), глинозем Al2O3, полевые шпаты-альбиды Na(AlSi3O8) и ортоклаз K(AlSi3O8) и их смесь. Кроме того, в шлак поступают и продукты разложения карбонатов CaO, MgO и алюмосиликаты из пластификаторов обмазочной массы: каолина (Al2O3*2SiO2*2H2O), слюды мусковит KAl(Al*SiO3*O10)(OH,F)2. часто в состав шлакообразующей части покрытия вводят и оксиды железа FeO и Fe2O3.

Взависимости от преобладающего количества тех или иных соединений и их воздействия на свойства получающихся шлаков электродные покрытия для сварки сталей классифицируют как кислые (А), содержащие преимущественно оксиды железа, марганца, титана, кремния; основные (Б), построенные на основе плавикового шпата и кальцита; рутиловые (Р), содержащие до 50% рутилового концентрата, полевого шпата, магнезита; целлюлозные покрытия (Ц) содержат до 70% целлюлозы и добавки оксидов железа, марганца и титана (1,2).

Вкачестве раскислителей и легирующих компонентов в покрытия вводят порошки для чистых металлов, так и ферросплавов, марганца, кремния, титана. Нередко для этих целей применяют и комплексные порошкообразные металлические лигатуры,

обеспечивающие полную обработку металла шва. Такие лигатуры содержат редкоземельные элементы (Р3М), Ba, Zr, улучшающие структуру и эксплуатационные свойства наплавленного металла.

Установлено, что при наличие в атмосфере дуги P3M, Ba, Zr, реакция образования нерастворимого в расплавленном металле гидроксила OH (OH=H+O) сдвигается влево, что приводит к снижению поглощения водорода металлом ванны. Это объясняется высокой упругостью паров указанных элементов и их соединений, что вызывает снижение парциального давления водорода над сварочной ванной, а следовательно, его растворимости. РЗМ, Ba, и Zr, являясь поверхностноактивными, адсорбируются на поверхностях раздела между кристаллами и тем самым замедляют все процессы, связанные с перемещением дислокаций, что затрудняет диффузию атомов водорода в

кристаллизующемся металле. Поэтому скорость поступления водорода в месте скопления дефектов снижается, что приводит к повышению стойкости металла шва против водородного охрупчивания. Вследствие высокого термодинамического сродства этих элементов к кислороду, образуются оксиды и комплексные оксидные соединения, частично удаляемые в шлак, что способствует снижению общего содержания кислорода в металле и повышению его служебных характеристик.

Процесс сварки покрытыми электродами (рис 3.1) характеризуется капельным переносом плавящегося электрода металла в сварочную ванну. Металлургические реакции взаимодействия между газовой, шлаковой фазой и металлом начинаются в высокотемпературной зоне (Т=2300К) уже на стадии зарождения и роста капли расплава на торце электрода, продолжаются в фазе полета и растворения капель в металле сварочной ванны и на стадии ванны (Т=2000К), а завершаются они на стадии кристаллизации металла шва.

Рис. 3.1. Схема дуговой сварки покрытым электродом:

1-газы, выделяющиеся при разложении компонентов покрытия; 2-стержень электрода; 3-электрод; 4-покрытие электрода; 5-капля электродного металла, покрытая шлаком; 6-дуговой разряд; 7-сварочная ванна; 8-основной металл.

В высокотемпературной зоне, наряду с эндотермическими реакциями диссоциации двух и трехатомных газов (Н2, О2, N2, H2O, CO2):

развиваются эндотермические реакции, приводящие одновременно к легированию и окислению металла сварочной ванны перегретым металлом:

выделяют значительное количество теплоты, что увеличивает количество расплавленного электродного металла.

Для оценки химической активности сварочных шлаков используют понятие суммарного количества кислорода, участвующего в окислительно-восстановительных реакциях на границе металл-шлак. Относительная химическая активность (А) изменяется от 0 до 1 и определяется:

Где RO,R2O3,RO2 – содержание компонентов шлака, масс %;

B-основность шлака, определяющаяся соотношением основных и кислотных оксидов в шлаке или покрытии;

Считают, что если Аф=0.6, то шлаки активные, Аф=0.3-0.1 – малоактивные и Аф=1 – пассивные. Сварка электродами с покрытием, дающим активный шлак (электродные покрытия кислого типа - А),приводит к значительному содержанию в шве кислорода, который связан в продуктах раскисления (SiO2, MnO, FeO), являющихся концентратами напряжений и заметно снижающих пластичность и ударную вязкость металла шва.

Более качественный металл обеспечивается металлургической обработкой под основными шлаками. Такие шлаки дают основные покрытия типа В, построенные на основе кальцита (CaCO3) и плавикового шпата (CaF2). Высокое качество металла шва достигается в этом случае как за счет низкого содержания в нем кислорода при достаточно высоком содержании CaF2 в покрытии, так и за счет минимального количества водорода. В присутствии кремнезема, который входит в состав сухого остатка силикатного связующего, протекают реакции

Образующийся фтористый водород нерастворим в металле и дегазирует из зоны сварки. Связывание водорода происходит и при введении в состав основных покрытий оксидов железа Fe2O3 и FeO:

Введение оксидов железа позволяет уменьшить содержание тетрофторида кремния в реакционной зоне, что улучшает устойчивость дуги переменного тока. Дестабилизирующее действие SiF4 объясняется высокой его электроотрицательностью, в результате которой наиболее подвижными носителями тока – электронами, при этом уменьшается проводимость остаточной плазмы дуги и время ее существования.

Другим положительным свойством Fe2O3 является возможность получения дополнительной газовой защиты в присутствии углерода:

Образующаяся FeO связывается в основном шлаке в комплексные соединения виды AlxOy*TizOy*(FeO)k и не загрязняет металл шва. С помощью закиси железа возможно и рафинирование металла сварочной ванны по фосфору:

Кислотный оксид фосфора поглощается основным шлаком:

Более полное рафинирование по фосфору (Pmin=0.007-0.0014%) происходит, если в шлаке присутствуют катионы, которые в меньшей степени взаимодействуют с анионами

кислорода O2-. Наиболее слаб в этом отношении катион Ba2+. При введении бария в состав покрытия электрода основного типа на стадии ванны протекает реакция

Современные высококачественные электроды с основным покрытием имеют улучшенные сварочно-технологические свойства и обеспечивают устойчивое горение дуги на переменном токе, так как обмазка их выполняется двухслойной (преимущественно электроды зарубежных ведущих фирм) с выносом CaF2 в наружный слой (рис 3.2). в наружный слой выносятся и легко окисляемые элементы, к примеру Zr, Ce, Ti, Al, а также обладающий большим сродством к фосфору Ba. находясь в наружном слое покрытия, эти элементы минуют высокотемпературную стадию капли и вступают в реакции на стадии ванны, что обеспечивает высокий металлургический эффект.

Карбонаты и легирующие металлические добавки помещаются во внутренний слой. Такое разделение покрытия позволяет снизить содержание тетрафторида кремния в высокотемпературной зоне дуги и одновременно увеличить степень диссоциации карбонатов, что создает мощный газовый поток, измельчающий электродные капли и обеспечивающий отличную защиту.

Покрытия электродов рутилового типа осуществляют защиту оны сварки на основе двуокиси титана (TiO2), полевого шпата (Na2*Al2O3*6SiO2), магнезита MgCO3, при диссоциации которого образуется газовая защита и выделяется MgO, входящий в состав шлаковой системы:

Электроды этой группы малотоксичны, имеют хорошие технологические свойства шлака, обеспечивают сварку в различных пространственных положениях, обладают высокой устойчивостью дуги как на постоянном, так и на переменном токе, благодаря содержащимся в рутиловом концентрате элементам с низким потенциалом ионизации. Недостаток покрытий рутилового типа – довольно высокая окислительная способность, что не позволяет применить их для сварки легированных сталей и сплавов.

Рис. 3.2. Схема сварки электродами с основным типом покрытия на переменном

токе:

1-электродный стержень; 2-внутренний слой покрытия; 3-наружный слой покрытия; 4-растущая капля электродного металла в шлаке; 5-мощный газовый поток; 6-мелкие

капли металла в шлаке; 7-покрытия шлака из наружного слоя покрытия; 8-сварочная ванна; 9-основной металл.

Электроды с целлюлозным покрытием обеспечивают минимальное количество шлака и применяются для сварки на монтаже, в условиях, когда необходимо сваривать в различных пространственных положениях и когда есть опасность стекания шлака или трудно удалить шлак из разделки свариваемых кромок металла (сварка монтажных стыков трубопроводов). Плотная газовая защита образуется при разложении целлюлозы (до 50% покрытии) и других органических веществ: древесной муки, декстрина, крахмала. Для уменьшения поглощения водорода металлом ванны в покрытие целлюлозного типа вводят окислители : TiO2, Fe2O3, MnO2, CaF2. нередко для связывания водорода применяют кремнефтористый натрий Na2SiF6(1.5-1.5%).

Важный показатель качества металла сварочных швов – содержание газов и неметаллических включений, влияющих на прочностные свойства сварных соединений.

Таблица 3.1 Массовые доли включений, масс % при использовании для сварки сталей

электродов различных групп

Как видно из таблицы, электроды с основным покрытием имеют существенные преимущества перед электродами с кислым покрытием. Электроды рутилового и целлюлозного типа занимают промежуточное положение между электродами кислого и основного типа.

Химический состав шлаков, образующихся при сварке низкоуглеродистых сталей электродами различных типов, представлен в табл.3.2, а состав газов – в табл.3.3.

4.ЗАДАНИЕ И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

4.1Определить численные значения упругости разложения (диссоциации)

Углекислый газ применяется в качестве защитного газа при сварке углеродистых и легированных сталей. В некоторых типовых электродных покрытиях в качестве составляющих применяются карбонаты, в частности CaCO3, в виде порошка мела или мрамора.

Упругость диссоциации CaCO3 выражается уравнением

Определить температуру нала разложения CaCO3:

1)в атмосфере воздуха (P CO2=0.0003 ат.)

2)в атмосфере чистого CO2 (P CO2=1 ат.)

4.2Определить равновесные концентрации CO2 и CO в защитной атмосфере при дуговой сварке

Углекислый газ является окислителем для ряда металлов, а в частности, жидкого

Константа равновесия этой реакции имеет следующую зависимость температуры:

Определить для заданной температуры значения равновесных отношений

P CO2/P CO дял случаев сварки электродами с покрытиями основного и кислого

типа.

Сравнить полученные значения с составом газовой смеси, определенной экспериментально (табл 3.3), и сделать заключение о восстановительных или окислительных свойствах среды.

Считать, что содержание FeO в металле шва при сварке электродами кислого и основного типа составляет соответственно 0.0271 и 0.0165 масс.% при температуре 1800К.

4.3Используя данные таблицы 3.2, определить коэффициенты химической активности электродных шлаков различных типов.

4.4Оценить устойчивость дуги по ее разрывной длине при сварке на постоянном токе электродами с различным типом покрытия.

4.4.1На установке для зажигания косвенной дуги закрепить два одинаковых электрода. Графитовым стержнем с изолированной ручкой поджечь дугу и дать ей догореть до естественного обрыва.

4.4.2Изменить величину разрывной длины дуги Lp. Опыт проделать 3 раза и определить среднее значение Lp ср. В опыте использовать 2-3 пары электродов одного диаметра.

4.5Определить относительную скорость плавления электродов при подключении на прямой и обратной полярности.

4.5.1измерить начальную длину электродов и закрепить их на установке. Поджечь дугу, как указано в пункте 4.4.1.

4.5.2после обрыва дуги измерить длину оплавившейся части электродов, подключенных к положительному (обратная полярность) и отрицательному (прямая полярность) полюсам источника питания.

4.5.3Определить относительную производительность расплавления электродов Ар при прямой и обратной полярности подключения:

Где lk- длина расплавленного участка на катоде; la – длина расплавленного участка на аноде.

5.КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1)В каких методах сварки используется газошлаковая защита?

2)Какие основные функции выполняют электродные покрытия?

3)Какие группы веществ по назначению входят в состав типовых электродных покрытий? То же для порошковых проволок.

4)Как классифицируются покрытия в зависимости от входящих в их состав компонентов?

5)Какие металлургические особенности связаны со сваркой углеродистых сталей электродами различных групп: кислыми(А); основными (В); рутиловыми (Р); целлюлозными (Ц)?

6)Каковы отличия условий газовой и шлаковой защиты при сварке покрытыми электродами?

7)Какова связь между максимальной температурой прокаливания электродов и температурой разложения газообразующих компонентов электродных покрытий?

8)Как определить относительную устойчивость горения дуги?

9)Как влияет полярность подключения электрода на скорость его плавления?

6.СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1)Привести краткие сведения о назначении, составе и свойствах электродных покрытий.

2)Привести решение задач.

3)Привести результаты опытов.

4)Сделать выводы по работе.

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.Теория сварочных процессов: Учеб. для вузов по спец. «Оборудование и технология сварочного производства»/ В.Н.Волченко, В.М.Ямпольский, В.А.Винокуров и др.;Под редак. В.В.Фролова.-М.: Высшая школа, 1988.-559с.

2.Сварочные материалы для дуговой сварки: Справочное пособие: В 2-х т. т.2. Сварочные проволоки и электроды / Н.Н.Потапов, Д.Н.Баранов, О.С.Каковкин и др.; Под общ. ред. Н.Н.Потапова. – М.: Машиностроение, 1993.-768с.

3.Сварочные материалы: Учебное пособие для вузов / Петров Г.Л.- Л.:Машиностроение, 1972.-280с.