3. Роль флюсу при зварюванні
Флюс впливає на стійкість дугового процесу, формування і хімічний склад металу шва. Флюс в значній мірі визначає стійкість швів проти утворення пор і кристалізованих тріщин, від його складу залежить відділення шлакової плівки з поверхні шва. Зварювальна дуга є одним із видів електричного розряду в газах, тому стійкість її горіння при інших рівних умовах визначається складом атмосфери дуги. При нагріванні теплотою дуги флюс виділяє гази і пари, змінюючи склад її атмосфери. Наявність у флюсі окисів лужних і лужноземельних металів збільшує електричну провідність і довжину дугового проміжку, що покращує стійкість процесу зварювання, а з’єднання фтору знижує ці показники. Таким чином, флюси мають різні стабілізуючі властивості, які виявляють їх хімічний склад.
На форму шва оказують суттєвий вплив стабілізуючі властивості флюсу, його насипна маса і гранумерований склад. Зміцнюючи довжину дуги і глибину її занурення в основний метал, ці фактори обумовлюють зміну відношення між шириною шва і глибиною проплавлення. Укорочуючи дугу, флюс з поганими стабілізуючими властивостями дає вузькі шви з великою глибиною провару і великою висотою підсилення. Флюс з добрими стабілізуючими властивостями подовжує дугу, даючи широкі шви з малим проплавленням і невеликою висотою підсилення.
Вплив насипної маси флюсу звичайно чітко проявляється при зрівнюванні швів, зварених під скловидним і пемзовидним плавлячими флюсами однакового хімічного складу. В цьому випадку різниця в насипній масі особливо велика, що викликає відповідні різноманітні витрати енергії на його плавлення.
При скловидному флюсі, що має зазвичай насипну масу 1,4–1,7 г/см3, потрібно удвічі більше енергії на його плавлення, чим при пемзовидному флюсі, що має насипну масу 0,7–0,9 г/см3. В результаті падіння напруги в дузі при зварюванні під склоподібним флюсом більше, сама дуга коротша, ніж при використанні пемзовидного флюсу.
Гранулометричний склад (розмір зерен) флюсу, впливає на форму шва таким чином. При зварюванні під дрібним флюсом шви виходять вужчі, з більшою глибиною проплавлення основного металу і з більшою висотою посилення, чим при використанні флюсу з крупними зернами. Звідси можна зробити висновок, що вплив гранулометричного складу флюсу на форму шва також пов'язаний із зміною довжини зварювальної дуги. Частково це може бути пояснене зростанням насипної маси флюсу, оскільки при додаванні дрібного флюсу до великого насипна маса суміші зростає.
Зовнішній вигляд шва значною мірою визначається рівномірністю відкладення металу, що твердіє, залежної від стану зварювальної ванни. «Кипіння» зварювальної ванни унаслідок вигорання вуглецю і виділення розчинних в металі газів значно погіршує зовнішній вигляд шва. Підвищення окиснення флюсу, сприяюче інтенсивному вигоранню вуглецю, також погіршує зовнішній вигляд шва.
Залежно від темпу зміни показників в'язкості із зміною температури розрізняють довгі і короткі флюси. В'язкість довгого флюсу із зміною температури змінюється значно повільніше, ніж в'язкість короткого. Для кільцевих швів малого діаметру придатніші короткі флюси, тому що їх шлак твердне швидко і надійно утримує зварювальну ванну від стікання
3.1 Вплив флюсу на хімічний склад металу шва. Під час зварювання плавленням відбувається взаємодія між рідким шлаком і металом. Тривалість цієї взаємодії зазвичай дуже невелика і при дуговому зварюванні може коливатися від декількох секунд до 1 хв. При електрошлаковому зварюванні шлак і метал взаємодіють довше (до декількох хвилин). Взаємодія припиняється після твердіння металу і шлаку. Не дивлячись на короткочасність реакції, взаємодія між шлаком і металом при дуговому зварюванні може проходити дуже енергійно, що обумовлено високими температурами розплавленого металу і шлаку, значними поверхнями їх контакту і відносно великою кількістю шлаку. Останнє в середньому складає 30–40% маси металу при зварюванні під флюсом і до 10% маси металу при зварюванні по флюсу. У зв'язку з невеликою витратою флюсу при електрошлаковому зварюванні рідкий метал і шлак взаємодіють слабо.
Реакції, що проходять між шлаком і металом, є реакціями витіснення з шлаку в метал одного хімічного елементу іншим, або ж реакціями їх розподілу між шлаком і металом. Реакції витіснення переважно ведуть до збагачення або збіднення металу шва тими або іншими легуючими елементами. Реакції розподілу лежать в основі створення в металі шва неметалічних включень. Найбільш важливу роль при зварюванні під плавленими флюсами грають реакції відновлення кремнію і марганцю:
Символи в круглих дужках позначають вміст з'єднання або елементу в шлаковій фазі, в квадратних дужках – в металевій. Стрілки показують, що реакції можуть йти в обох напрямах. При високих температурах вони переважно йдуть зліва направо (відновлення марганцю і кремнію з шлаку в метал). При зниженні температури рівновага цих реакцій зміщується справа наліво, тобто марганець і кремній окислюються і переходять з металу в шлак. Напрям реакцій залежить також від концентрації реагуючих речовин. Якщо в металі зварювальної ванни міститься мало марганцю і кремнію, а в шлаку багато МnО і SіO2 і мало FeО, при високих температурах (поблизу дуги) марганець і кремній відновлюються з шлаку в метал. Якщо ж в металі зварювальної ванни багато марганцю і кремнію, а в шлаку немає МnО і SiO2 або багато FeО, марганець і кремній окислюватимуться навіть в зоні високих температур. Перехід марганцю в шов тим вище, чим більше МnО і менше SiO2 міститься в зварювальному флюсі – шлаку. Перехід марганцю із флюсу в шов залежить також від ступеня окисненості флюсу. Чим більше окиснений флюс, тобто чим вище в ньому вміст окису марганцю Мn2O3, тим перехід марганцю менший. Погіршує перехід марганцю підвищення вмісту окису заліза у флюсі, як це витікає з реакції (1).
На відміну від переходу марганцю, перехід кремнію із зварювального шлаку в метал шва зазвичай невеликий (0,1–0,2%), він пропорційний концентрації кремнезему в шлаку і мало залежить від ступеня окисненості шлаку. Збільшення основності флюсу знижує перехід кремнію з шлаку в метал.
3.2 Вплив флюсу на стійкість швів проти утворення пір. При зварюванні під флюсом шви можуть виявитися пористими. Появі пір, тобто порожнин, заповнених газом, сприяють наступні обставини: наявність іржі або окалини на зварюваних поверхнях; надмірна вологість флюсу і зварюваних поверхонь; забруднення зварюваних поверхонь органічними речовинами; недостатній захист зони зварювання від повітря (малий шар флюсу, великі зазори між зварюваними кромками); погані технологічні властивості флюсу або невідповідність флюсу складу основного металу і електродного дроту. Утворення пір (газових вкраплень) в шві пов'язане з виділенням газів з рідкого металу зварювальної ванни (водню, азоту або окису вуглецю) у момент твердіння. Водень може потрапляти в зону зварювання разом з іржею, вологою, маслом і органічними речовинами. Азот поступає в зону зварювання при поганому її захисті від повітря. Розчинність водню і азоту в рідкому металі вельми велика і зростає з підвищенням температури. При твердінні металу розчинність в нім водню і азоту стрибкоподібно падає, і надлишок їх виділяється у вигляді бульбашок. Унаслідок швидкого твердіння металу бульбашки газу не встигають повністю виділятися в атмосферу і залишаються в шві у вигляді довгастих пір. Чим більше водню або азоту потрапляє в зону зварювання, тим більше їх розчиняється в рідкому металі і тим вище вірогідність утворення пір в шві.
На видалення газів із зварювальної ванни робить вплив її форма: з дрібної і широкої ванни гази видаляються легше, ніж з глибокої і вузької. Збільшення швидкості зварювання і зменшення зварювального струму (зменшення погонної енергії зварювання), як і пониження температури зварюваного металу, приводить до збільшення швидкості кристалізації і підвищення схильності шва до утворення пір. Із збільшенням напруги (довжини) дуги при зварюванні під флюсом підвищується вміст азоту і водню в шві і вірогідність створення в ній пір. Розчинення водню в металі при дуговому зварюванні і пов'язана з цим пористість шва залежать також від роду зварювального струму. Так, при зварюванні на змінному струмі за інших рівних умов розчинення водню і пористість шва максимальні, при зварюванні на постійному струмі прямої полярності (мінус на електроді) – значно менші, а при зворотній полярності – мінімальні.
Щоб водень не попадав в зварювальну ванну, кромки зварюваного металу і поверхню зварювального дроту ретельно очищають і висушують, а флюс прожарюють. Головна умова відсутності пір в шві при зварюванні під флюсом – правильний вибір флюсу відповідного хімічного складу і будови зерен. За допомогою флюсу водень зв'язують в зоні дуги в нерозчинні в рідкому металі з'єднання, перш за все НF. Основну роль при цьому грають складові флюсу СаF2 і SiO2. У зоні зварювання протікають наступні реакції:
Фтористий водень НF, що утворюється, нерозчинний в рідкому металі, тому вміст водню в металі шва і його схильність до пір зменшуються. Переважне значення мають реакції (3) – (5), оскільки без SiO2 у флюсі скріплення водню фтором неефективне. Таким чином, найбільшою стійкістю проти пір від водню володіють висококременеві флюси.
Флюси однакового хімічного складу, але з різною будовою зерен по-різному впливають на утворення пір в металі шва. Флюси пемзовидної будови набагато ефективніше запобігають утворенню пір в шві, чим склоподібні. Пояснюється це тим, що виділення газоподібних фторидів, що зв'язують водень в зоні горіння дуги, починається до розплавлення флюсу (приблизно з 600° С) з поверхні зерен. Чим розвиненіша поверхня зерен, тим більше виділяється газоподібних фторидів і тим інтенсивніше зв'язується водень в зварювальній ванні в нерозчинні з'єднання. Максимально розвинену поверхню, а значить, і стійкість швів проти утворення пір мають пемзовидні флюси.
3.3 Вплив флюсу на стійкість швів проти утворення тріщин кристалізацій. Кристалізаційні тріщини – це макро- і мікроскопічні несуцільності, що мають характер надрізу і що зароджуються в процесі первинної кристалізації швів між кристалами, що ростуть. Стійкість швів проти утворення тріщин багато в чому залежить від хімічного складу металу шва. Змінюючи вміст в металі шва вуглецю, сірки, марганцю і інших елементів, флюс робить вплив на стійкість швів проти тріщин кристалізацій. Збільшення змісту вуглецю і сірки в шві знижує, а збільшення змісту марганцю підвищує стійкість зварних швів проти утворення тріщин кристалізацій. Найбільш високу стійкість швів проти утворення тріщин при зварюванні низьковуглецевих і низьколегованих сталей забезпечують висококременеві флюси з високим вмістом оксидів марганцю (35–40%).
Вельми шкідливою домішкою в шві, що надає різкий негативний вплив на його стійкість проти утворення тріщин, є сірка, тому слід всемірно знижувати її вміст в металі шва. Необхідно застосовувати флюси з можливо нижчим вмістом сірки і вводити в зварювальну ванну елементи, що перешкоджають переходу сірки в метал шва. Таким елементом перш за все є марганець. Відновлюючись з флюсу і переходячи в метал зварювальної ванни, він зв'язує сірку в малорозчинне в рідкому металі з'єднання МnS, яке надалі переходить в шлак. При вмісті у флюсі 25% МnО і більш сірка майже не переходить з флюсу в метал шва. Підвищення вмісту марганцю в металі зварювальної ванни і введення в неї алюмінію і титану перешкоджають переходу сірки з шлаку в метал, тим самим підвищуючи стійкість швів проти утворення тріщин кристалізацій.
До зниження стійкості швів проти утворення тріщин приводить підвищення вмісту в них вуглецю і у меншій мірі кремнію. Тому застосування флюсів, що окислюють вуглець в зварювальній ванні, сприяє збільшенню стійкості швів проти утворення тріщин. Негативний вплив на стійкість швів проти утворення тріщин надає і фосфор.