ЗАО "Сварочные технологии"

Особенностью сварки в углекислом газе является сравнительно сильное выгорание элементов, обладающих большим химическим сродством к кислороду (Al, Ti, Mg, Мn, Si, С и др.).

Выгорание происходит за счет окисляющего действия как углекислого газа, так и атомарного кислорода, который образуется в результате диссоциации углекислого газа под действием высокой температуры дуги (рис. 29):

СО₂ → СО + О. (19)

(рис. 29) Диссоциация углекислого газа в зависимости от температуры

В зоне сварки происходят следующие реакции:

Fe_(ж) + СО_2(г) ↔ FеО_(ж) + СО_{(г)↓в атмосферу} , (20)

Fе_(ж) + O _(г) = Fe _{(ж)↓частично в шлак}, (21)

Si _(ж) + 2О_(г) = SiО_{2(ж)↓в шлак}, (22)

Мn_(ж) + О_(г) = МпО_{(ж)↓в шлак}, (23)

С_(ж) + О_(г) = СО_{(г)↓в атмосферу}, (24)

2FеО_(ж) + Si_(ж) ↔ 2Fe_(ж) + SiО_{(ж)↓в шлак}, (25)

FeO_(ж) + Мn_(ж) ↔ Fe_(ж) + МnО_{(ж)↓в шлак}, (26)

FеО_(ж) + С_(ж) ↔ Fe_(ж) + СО_{(г)↓в атмосферу}, (27)

и т.д.

Реакции (20), (21), (22), (23), (24) протекают в зоне высоких температур (в дуговом промежутке и в сварочной ванне вблизи дуги), а реакции (25), (26), (27) — преимущественно в зоне пониженных температур металла (в сварочной ванне вдали от дуги).

При достаточном содержании раскислителей (Si, Мn и др.) в сварочной ванне реакция (27) не происходит. Непрерывный уход окислов углерода, кремния, марганца и других элементов-раскислителей из зоны реакции в воздух (СО) или в шлак (MnO, SiO2 и др.) способствует протеканию реакций окисления.

В состав сварного шва входят основной и сварочный металлы. В результате взаимодействия жидкого металла и газа содержание элементов-раскислителей в металле шва, выполненного в углекислом газе, оказывается меньшим по сравнению с исходным содержанием.

При сварке различных сталей химический состав металла шва в зависимости от требований, предъявляемых к сварным соединениям, может быть различным. Химический состав металла швов, выполняемых в углекислом газе, можно изменять главным образом за счет изменения химического состава электродной проволоки. Содержание элементов-раскислителей в электродной проволоке при этом способе сварки, как правило, должно быть выше, чем в свариваемом металле и металле шва.

При дуговой сварке в окислительной среде (углекислый газ, смесь аргона с кислородом) выгорание элементов в дуге значительно превосходит их выгорание в сварочной ванне. Последнее обусловлено во много раз большей поверхностью контактирования капель жидкого металла с газом, а также большей степенью диссоциации углекислого газа в дуговом промежутке по сравнению с местом контакта газа со сварочной ванной. По имеющимся в литературе данным, температура капель металла в зоне дуги составляет примерно 2350°С, газа — 2900°С, в то время как температура металла в сварочной ванне равна 1700°С, а газа в месте соприкосновения с ванной — 2300°С. Количество углекислого газа, диссоциированного на окись углерода и кислород, составляет примерно в зоне дуги 58% и в месте контакта с ванной — 15%.

Из изложенного следует, что выгорание элементов из проволоки более значительно, чем из основного металла. Это обстоятельство нужно учитывать при выборе электродной проволоки для сварки в углекислом газе той или иной стали, особенно при многослойной сварке.

Прежде всего необходимо, чтобы металл ванны был хорошо раскислен, а содержание кремния и марганца в сварочной ванне к моменту затвердевания металла было достаточным для подавления реакции окисления углерода. В противном случае выделение СО в момент затвердевания металла вызовет образование пор в шве.

На рис. 30 показаны кривые перехода легирующих элементов в сварной шов в зависимости от содержания их в порошковой проволоке при сварке в углекислом газе. Сваривались стыковые соединения с V-образной разделкой кромок из стали следующего состава: 0,12% углерода, 0,58% марганца, 0,25% кремния, 0,90% хрома, 0,52% молибдена, 0,24% ванадия. Проволоки с различной концентрацией титана имели практически одинаковое содержание других элементов: 0,14% углерода, 2,7% марганца, 0,9% кремния, 0,9% хрома, 0,5% молибдена, 0,4% ванадия.

(рис. 30) Изменение химического состава наплавленного в углекислом газе металла (пятого слоя шва) в зависимости от содержания элементов в сварочной порошковой проволоке диаметром 3 мм

Из рис. 30 видно, что с увеличением содержания марганца в проволоке уменьшается выгорание кремния и, наоборот, с увеличением содержания кремния уменьшается выгорание марганца. Молибден практически не выгорает и почти полностью переходит в шов; выгорание хрома также незначительно. Ванадий выгорает более интенсивно, чем хром, но меньше, чем кремний. Несмотря на меньшее химическое сродство к кислороду, марганец выгорает больше, чем кремний. Это объясняется окислением не только капель электродного металла при их переносе через дуговой промежуток, но и паров марганца, поступающих в газовую фазу из сварочной ванны вследствие низкой температуры его испарения.

Введение титана в электродную проволоку при прочих равных условиях значительно уменьшает выгорание марганца, кремния, ванадия и меньше - углерода.

Если в свариваемом и присадочном металлах углерода содержится более 0,06-0,07%, то он выгорает. По мере повышения исходной концентрации выгорание углерода увеличивается, достигая 50% и более.

При исходной же концентрации его менее 0,06-0,07% наблюдается науглероживание наплавленного металла за счет газовой среды.

Например, зависимость изменения содержания углерода от исходной концентрации выражается следующими данными:

Содержание углерода в электродной проволоке и  cодержание углерода в металле, наплавленном в углекислом газе на медную пластинку - 0,19%, 0,07%, 0,05%, 0,03%, и  0,11%, 0,07%, 0,06%, 0,04% соответственно.

Вследствие диссоциации углекислого газа и окислительных реакций концентрация окиси углерода в зоне сварочной дуги повышается, а концентрация углекислого газа и кислорода уменьшается. Поэтому при низкой исходной концентрации углерода и высоком содержании других раскислителей в металле углерод восстанавливается из окиси и переходит в сварочную ванну.

Сварные швы, выполненные в углекислом газе, содержат несколько меньше фосфора, чем швы, выполненные под марганцовистыми флюсами (АН-348А, ОСЦ-45 и др.), при одинаковом содержании фосфора в основном и присадочном металлах.

Особенно заметно различается содержание фосфора в этих швах при многослойной сварке толстого металла. Как известно, при многослойной сварке под марганцовистыми флюсами каждый слой шва обогащается фосфором, переходящим из флюса. При сварке в углекислом газе содержание фосфора в шве независимо от количества слоев определяется только содержанием его в свариваемом металле и в электродной проволоке.

Швы, выполненные дуговой сваркой в углекислом газе, содержат в 3-4 раза меньше шлаковых включений, чем швы, выполненные сваркой под флюсом и толстопокрытыми электродами. Характерно также то, что в швах, выполненных дуговой сваркой в углекислом газе, шлаковых включений значительно меньше, чем в швах, выполненных вручную толстопокрытыми электродами и автоматической сваркой под флюсом. Разное количество и величина шлаковых включений объясняется тем, что при сварке под флюсом и сварке толстопокрытыми электродами образование шлаковых включений в шве связано не только с процессами раскисления металла, но и с попаданием отдельных капель расплавленного флюса или покрытия электрода в затвердевающий металл шва. С уменьшением количества и величины шлаковых включений в металле шва повышается его долговечность в условиях эксплуатации при высоких и весьма низких температурах.