ЗАО "Сварочные технологии"

Оболочка расплавленного флюса, окружающего зону сварки, высокая концентрация тепловой энергии и равномерное перемещение дуги вдоль свариваемых кромок обусловливают следующие особенности металлургических процессов при сварке под флюсом, отличающие ее от сварки открытой дугой покрытыми электродами:

1) более эффективная защита зоны сварки от воздействия воздуха;

2) более определенная зависимость между режимом сварки и химическим составом металла шва;

3) более значительный объем сварочной ванны.

При дуговой сварке тонкопокрытыми электродами содержание азота в шве составляет 0,12—0,20%.

Применение толстопокрытых электродов обеспечивает лучшую защиту зоны сварки, в результате чего содержание азота в металле шва значительно уменьшается и составляет 0,013—0,030% (в зависимости от состава и толщины покрытия, напряжения дуги и т. д.). При сварке под флюсом жидкий металл надежно защищен от воздуха, поэтому содержание азота в шве обычно не превышает 0,008%.

Между жидкими флюсом и металлом при сварке протекают металлургические реакции, в результате которых изменяется состав металла шва. При сварке низкоуглеродистых сталей под марганцовистыми высококремнистыми флюсами обычно восстанавливаются кремний и марганец, находящиеся во флюсе, и переходят в металл шва. Вместе с тем окисляется и углерод, содержащийся в электродной проволоке из свариваемой стали.

При этом в зоне сварки с высокими температурами (первая зона сварки — в дуговом промежутке и в сварочной ванне вблизи дуги) происходят кремнемарганцевосстановительные реакции:

2Fe_мет + SiO2_шл ↔ 2FeО_шл + Si_мет, (11)

Fe_мет + МnО_шл ↔ FeО_шл + Мn_мет. (12)

Закись железа FeO частично переходит в шлак, а частично растворяется в жидком металле сварочной ванны.

При понижении температуры жидкого металла (вторая зона сварки — часть сварочной ванны, удаленная от дуги вплоть до затвердения металла) протекают реакции раскисления:

2FeО_мет + Si_мет ↔ SiO2_шл + 2Fe_мет, (13)

FeO_мет + Мn _мет ↔ MnO _шл + Fe_мет, (14)

FeO_мет + С_мет = СО_атм + Fe_мет. (15)

При температурах, близких к затвердеванию металла ванны, кремний и марганец подавляют реакцию окисления углерода.

При недостаточном содержании кремния в ванне (при низком содержании или отсутствии кремнезема во флюсе либо кремния в сварочной проволоке) усиленно выгорает углерод и в шве могут образоваться поры.

Окисление кремния и марганца приводит к образованию комплексных соединений — силикатов марганца, часть из которых всплывает на поверхность ванны и переходит в шлак, а часть в виде весьма мелких включений остается в шве.

Благодаря протеканию вышеописанных реакций металл шва обогащается кремнием и марганцем. Содержание углерода в шве при этом оказывается несколько меньшим, чем исходное.

Наглядным примером практического подтверждения описанных реакций может служить состав шва, выполненного на стали Ст. Зкп под флюсами АН-348А или ОСЦ-45 проволокой Св-08 из кипящей стали. Исходное содержание кремния (в проволоке и стали) при этом обычно не превышает 0,05%, конечное содержание его в шве не бывает ниже 0,25%. При этом повышается также содержание марганца в шве.

Переход кремния и марганца в шов зависит от содержания этих элементов в проволоке и флюсе и от режима сварки (рис. 24, 25). С увеличением содержания марганца и кремния во флюсе (в виде окислов) возрастает интенсивность перехода их в шов. С увеличением сварочного тока при прочих равных условиях в шов переходит меньше кремния и марганца, а с увеличением напряжения дуги — больше.

(рис. 24) Переход из флюса в шов марганца и кремния в зависимости от содержание их окислов во флюсе типа АН-348 и режима сварки малоуглеродистой стали малоуглеродистой проволокой: а - переход марганца при различном содержания кремнезема (I_св = 600-700 А, U_д = 30-32 В), б - переход кремния при различном его содержании в проволоке (I_св = 600-700 А, U_д = 32-36 В), в - влияние силы тока при U_д = 32-38 В и V_св = 20 м/ч; (SiO2) - содержание кремнезема во флюсе, [Si]_пр, [Mn]_пр - содержание кремния и марганца в проволоке

(рис. 25) Влияние напряжения дуги на переход марганца и кремния в наплавленный металл (на содержание их в пятом слое наплавки) при сварке малоуглеродистой проволокой диаметром 2 мм под флюсом, содержащим 49% Si02 и 42% МпО, при I_св = 300 A, V_св = 15 м/ч (содержание в проволоке Мп - 0,5%, Si - следы)

Влияние режима сварки на переход кремния и марганца из флюса в шов и на степень выгорания углерода, титана, алюминия, хрома, содержащихся в проволоке, обусловлено изменением времени взаимодействия жидких металла и флюса и изменением отношения количества расплавленного флюса к расплавленному металлу. С повышением напряжения дуги возрастает продолжительность накопления капли на конце проволоки (электрода) и перелета ее через дуговой промежуток в сварочную ванну, т. е. увеличивается продолжительность контактирования (взаимодействия) жидких металла и флюса в дуговом промежутке. Возрастает при этом также количество расплавленного флюса по отношению к жидкому металлу капель. Благодаря этому реакции взаимодействия жидких металла и флюса протекают полнее. С увеличением сварочного тока, наоборот, уменьшается продолжительность образования капель и перелета их через дугу в ванну, а количество расплавляемого флюса уменьшается.

Содержание кислорода в металле шва в значительной мере зависит от содержания углерода, причем с увеличением последнего содержание кислорода уменьшается (рис. 26). Вследствие выгорания углерода удаляется из металла в виде окиси углерода часть кислорода. Следует однако иметь в виду, что реакция окисления углерода при температуре затвердевания шва может вызвать в нем появление пористости. При увеличении содержания углерода в электродной проволоке возрастает переход кремния и марганца из проволоки и флюса в шов.

(рис. 26) Влияние содержания углерода в нелегированной проволоке на количество кислорода в наплавленном металле при сварке под флюсом типа АН-348

Переход серы и фосфора из флюса в шов зависит от содержания их во флюсе, а также от содержания окислов марганца и железа во флюсе и от режима сварки (рис. 27). С увеличением окиси марганца во флюсе увеличивается переход марганца в сварочную ванну, вследствие чего он связывает и переводит в шлак большее количество серы. С увеличением марганца в составе флюса возрастает обычно и содержание в нем фосфора, что способствует увеличению перехода фосфора в шов.

При увеличении сварочного тока уменьшается количество расплавленного флюса, уменьшается продолжительность контактирования капель жидкого металла с флюсом, вследствие чего содержание фосфора в шве уменьшается, а серы несколько возрастает. С повышением напряжения дуги при неизменном токе значительно возрастает отношение количества расплавленного флюса к расплавленному металлу, возрастает время пребывания капель электродного металла в дуговом промежутке — в месте наиболее высоких температур металла и флюса и поэтому интенсивного их взаимодействия — вследствие чего переход марганца, кремния и фосфора из флюса в шов возрастает, а содержание серы в шве уменьшается.

(рис. 27) Переход серы и фосфора в шов в зависимости от содержания окиси марганца, серы и фосфора во флюсе и от режима сварки

Повышение содержания окиси кальция во флюсе за счет снижения содержания окиси марганца не снижает, а, наоборот, несколько увеличивает переход серы в металл шва. Это указывает на превалирующую роль марганца в снижении серы в шве при автоматической сварке. Повышение содержания во флюсе кремнезема также увеличивает переход серы в шов.

При сварке высоколегированных аустенитных коррозионностойких сталей в последние годы находят применение высокоокислительные низкокремнистые флюсы (например, АН-18) содержащие повышенное количество окислов железа (РеО, Fe203). При этом, происходит выгорание всех элементов, обладающих сродством к кислороду, в том числе серы, фосфора (рис. 28, а), и снижение содержания водорода в шве (рис. 28. б). Содержание кислорода в металле при этом несколько возрастает в виде включений дисперсных комплексных окислов хрома, титана и др., в результате чего повышается трещиноустойчивость металла шва. Для сварки конструкций, работающих при весьма низких температурах (—150 — 269°С), применяется слабоокислительный флюс АН-45 или ему подобные, содержащие в своем составе окисел циркония для улучшения технологических свойств флюса (уменьшения пористости шва, вызываемой азотом, отделимости шлаковой корки и др.).

(рис. 28) Влияние количества окислов железа в низкокремнистом низкомарганцевом сварочном флюсе на содержание легирующих элементов и примесей (а), кислорода и водорода (б) в наплавленном металле проволокой 06Х23Н28МЗДЗТ