Глава 10

Особенности металлургических процессов при различных видах сварки.

В настоящей главе рассмотрены пути реализации основных металлургических процессов: раскисления, легирования, рафинирования и модифицирования при основных способах сварки плавлением, отличающихся методами защиты сварочной ванны от воздушной среды. Сварка плавлением является высокотемпературным процессом, при котором возможны существенные изменения состава металла сварного соединения, следовательно, и его свойств, в результате взаимодействия с окружающей средой. При контакте с атмосферой металлы, имеющие высокую химическую активность, могут образовывать оксиды, нитриды и гидриды, а при контакте с флюсом терять ценные легирующие элементы. Скорость химических реакций и диффузионных процессов при температурах сварочного цикла настолько высока, что даже в очень ограниченное время могут произойти существенные и нежелательные изменения состава металла шва. Широкое применение сварки в различных отраслях промышленности, строительства и транспорта стало возможным только тогда, когда были разработаны надёжные способы сохранения свойств металлов.

Существующие методы защиты металла при сварке плавлением приведены на рис. 10.1. Они практически реализуются в различных сочетаниях при различных способах сварки, известных в настоящее время. Широко применяются четыре основных вида защиты зоны сварки: 1) флюсовая защита; 2) газовая защита; 3) газошлаковая защита; 4) вакуумная защита.

10.1. Дуговая сварка под флюсом.

10.1.1Формирование флюсовой защиты сварочной ванны при сварке под флюсом.

Шлаковая защита сварочной ванны реализуется при механизированной дуговой сварке под слоем флюса (рис. 10.2) и электрошлаковой сварке. Электрический дуговой разряд, возникающий между деталью и электродной проволокой, перемещаемый вдоль свариваемого шва механическим устройством, поддерживается в замкнутом пространстве в среде расплавленного флюса и флюса в вязком полужидком состоянии. Образуемые при этом газы дуговой атмосферы – пары металла и компонентов флюса – поддерживают давление внутри флюсовой полости выше, чем давление окружающей атмосферы. Это обеспечивает защиту зоны сваривания от воздуха. В зоне контакта жидкого флюса с металлом сварочной ванны происходят все основные металлургические реакции: раскисление, легирование, рафинирование. Продукты этих реакций, как правило, не растворимы в металле, имеют меньшую плотность, объединяются с флюсом в легкоплавкие комплексы – шлаки, которые хорошо смачивают металл и после затвердевания легко отделяются от металла шва. Дуговая сварка под слоем флюса – высокопроизводительный процесс: ее коэффициент наплавки превышает 20 г/А·ч. Он обеспечивает хорошее формирование сварного шва, высокое качество металла и полное использование электродной проволоки (~98%), так как практически не происходит разбрызгивания.

Однако для получения сварных соединений высокого качества необходимо соответствие составов сварочного флюса и электродной проволоки свариваемому сплаву, для чего необходим анализ их взаимодействия и прогнозирования хода металлургических процессов.

10.1.2. Способы изготовления сварочных флюсов.

При механизированной дуговой сварке под флюсом используются различные флюсы: – плавленые, получаемые путем сплавления входящих в них компонентов в электрических или пламенных печах и последующего дробления на гранулы; керамические, получаемые путём грануляции сырой массы тонкоизмельчённых компонентов, соединённых между собой жидким стеклом. В отличие от плавленых в керамических флюсах могут содержаться металлические порошки – раскислители и легирующие компоненты, так как в процессе изготовления керамические флюсы (предложенные впервые К. К. Хреновым) не подвергаются нагреву до высокой температуры и расплавления.

Наибольшее распространение в производстве получили плавленые флюсы различных марок, изготовляемые в крупных промышленных масштабах. Плавленые флюсы по своему составу и назначению делятся на кремнемарганцевые, предназначенные для сварки низколегированных сталей различных марок, и фторидные, предназначенные для сварки высоколегированных сталей, титановых сплавов и других активных металлов. Кремнемарганцевые флюсы имеют различные составы в зависимости от того, стали каких марок подвергаются сварке, так как при взаимодействии со шлаком состав металла сварочной ванны может изменяться. Флюсы разделяются также и по своим физическим свойствам: по структуре зерна они делятся на стекловидные и пемзовидные, по характеру изменения вязкости - на длинные и короткие, по характеру взаимодействия с металлом - на активные и пассивные, которые применяются при сварке среднелегированных сталей.

Керамические флюсы представляют собой порошки различных компонентов, образующих шлаковую фазу, изолирующую металл от окисления, и ферросплавы или свободные металлы для раскисления и легирования. Все эти порошковые материалы замешивают на растворе силиката натрия Na₂SiO₃ («жидкое стекло») и подвергают грануляции на специальных устройствах. После этого их просушивают, прокаливают для удаления влаги и хранят в герметической таре. Так как в процессе изготовления они не подвергаются нагреву, то все даже активные металлы в них сохранены и при плавлении флюса они переходят в металл шва, раскисляя его и легируя до нужного состава.

Керамические флюсы классифицируют по назначению и химическому составу. По назначению различают флюсы для сварки и наплавки углеродистых и легированных сталей, цветных металлов и сплавов. По химическому составу шлакообразующей массы флюсы могут быть отнесены к кислым, нейтральным и основным. Кроме того, их делят на несколько типов: марганцово-силикатные (К11), кальций-силикатные (КС1) и флюоритно-основные (К1, К2, К3) и др.

В России разработано значительное количество марок керамическиих флюсов пяти типов для сварки и наплавки металлоконструкций различного назначения в зависимости от химического состава основного металла. По степени легирования металла шва керамические флюсы делятся на слабо легирующие для сварки низкоуглеродистых и низколегированных сталей (АНК-35, АНК-44, АНК-45 и др.) и сильно легирующие для сварки специальных сталей (АНК-34, АНК-47, АНК-48 и др.). Типовые составы основных композиций сварочных флюсов приведены в табл. 10.1, а их назначение в – табл. 10.2.

10.1.3. Особенности металлургических процессов при дуговой сварке под слоем плавленых и керамических флюсов.

При дуговой сварке под флюсом следует различать:

высокотемпературную зону; охватывающую переднюю стенку ванны, плавящийся торец электрода, капли металла, проходящие дуговой промежуток, и активное пятно дугового разряда в сварочной ванне;

низкотемпературную зону; включающую хвостовую часть сварочной ванны, где температура приближается к температуре кристаллизации металла и идут процессы кристаллизации, обменные реакции между шлаком и металлом, их конвективное перемешивание, выделение газов и пр. Главная особенность процесса – обратимость реакции в этих двух зонах.

В высокотемпературной зоне интенсивно развиваются эндотермические реакции, приводящие к легированию капель и одновременно к их окислению компонентами флюса:

Fe + (MnO)  [Mn] + [FeO]; (10.1)

2Fe + (SiO₂)  [Si] + 2[FeO].

Такой процесс называется кремнемарганцевосстановительным. Ход этих реакций в прямом направлении подтверждается термодинамическими расчётами, приведенными в главе 9 (пример 6).

В этой же зоне может происходить окисление углерода стали, если химический потенциал его больше, чем у Mn и Si.

Обычно в составе электродных проволок содержится пониженное содержание углерода, что исключает реакцию, приводящую к выделению газа – окиси углерода из капли:

[FeO] + [C]  Fe + CO (10.2)

Кроме того, происходит и восстановление кремния марганцем:

2[Mn] + (SiO₂)  [Si] + 2MnO. (10.3)

Следует учесть, что интенсивное перемешивание шлака с металлом приводит к извлечению значительной части FeO в шлаковую фазу: согласно описанному в предыдущих главах закону распределения в гетерогенной системе жидкий металл – жидкий шлак. Чем ниже температура, тем больше FeO в шлаке и меньше в металле.

[FeO]  (FeO).

В шлаке FeO переходит в соответствующие силикаты FeO · SiO₂ и т.п. По исследованиям В. В. Подгаецкого, плавящийся электродный металл значительно обогащается кремнием и марганцем (флюс АН-348; проволока Св08): содержание Si в проволоке составляет 0,02%, а в капле 0,15%, т.е. в 6 раз больше; содержание Mn в капле и проволоке 0,63 и 0,52% соответственно.

Обогащённый кремнием и марганцем металл в виде капли попадает в низкотемпературную зону сварочной ванны. При понижении температуры эти компоненты начинают раскислять металл и их концентрация в металле шва снижается приближаясь к исходному.

[Mn] + [FeO]  Fe + (MnO); (10.4)

[Si] + 2[FeO]  2Fe + (SiO₂).

Но так как основная часть FeO уже извлечена шлаком (см. выше), металл шва после раскисления будет содержать больше Si. Часть Mn при этом расходуется на восстановление Si, следовательно имеет место легирование при сварке.

10.1.4. Степени легирования швов при сварке под флюсом.

При механизированной дуговой сварке под флюсом почти не происходят потери металла и оценить изменения химического состава металла шва очень удобно по «исходному» составу.

По шлифу (макроструктура) определяют площадь сварного шва и, зная разделку под сварку, находят соотношение количеств расплавленного основного металла m и наплавленного электродного металла n, а затем, зная состав проволоки и состав основного металла, находят исходный состав, предполагая, что никаких химических реакций не было:

[x]_и = [x]₀m + [x]_эn, (10.5)

где [x]_и – содержание компонента в исходном металле; [x]₀ – содержание компонента в основном металле; [x]_э – содержание компонента в электродном металле. Если сделать химический анализ полученного сварного шва, то состав металла шва [x]_ш не совпадает с «исходным» составом.

Если [x]_ш – [x]_и=∆[x]>0, происходит легирование, а если x]_ш – [x]_и=∆[x]<0 – выгорание, что характерно для углерода или активных металлов в стали Al; Ti (рис. 10.6).

Степень легирования различными компонентами зависит от состава флюса. На рис. 10.3 и 10.4 приведены графики перехода кремния и марганца в металл в зависимости от основности флюса В (формулы для расчета В см. главу 9).

Как видно из приведённых графиков, переход кремния идёт лучше из кислых шлаков, а переход марганца - из основных. На рис.10.5 приведены данные по переходу марганца в зависимости от содержания MnO во флюсе при одинаковой основности флюса. Флюсы, содержащие менее 10% MnO, содействуют переходу марганца из металла в шлак (∆[Mn]<0), а при содержании MnO свыше 10% начинается переход марганца из шлака в металл. Однако при содержании MnO во флюсе свыше 35% переход марганца остаётся практически постоянным. Для оценки химической активности главных компонентов (SiO₂, MnO) Н. Н. Потаповым предложены следующие уравнения:

A _SiO2=%SiO₂/100B; A _MnO=0,42(%MnO)B/100,

где (%SiO) и (%MnO) – массовые доли компонентов в шлаке; В – основность шлака.

Сумма активностей А_SiO2 и А_MnO автор принимает за коэффициент химической активности флюса в целом:

А_ф = А _SiO2 + A _MnO = [(%SiO₂) + 0,42B²(%MnO)]/100B (10.6)

Химическая активность флюса представляет собой функцию его состава и сильно зависит от его основности В.

При обоснованном выборе флюсов для сварки различных видов сталей можно ориентироваться на коэффициент химической активности флюсов:

высокоактивные – А_ф>0,6 (ОСЦ-45, АН-348-А, ФЦ-6 и др.);

активные – А_ф=0,6…0,3 (АН-42, АН-26);

малоактивные – А_ф=0,3…0,1 (АН-20, Ан-22, ФЦЛ-1 и др.);

пассивные – А_ф0,1.

Коэффициент химической активности флюса А_ф определяет легирование через флюс металла шва кремнием и марганцем в процессе сварки под флюсом. Как было указано ранее, эти элементы будут связывать кислород, растворённый в металле, в свои оксиды при температурах, близких к температуре кристаллизации металла («хвостовая» часть ванны). В этом случае образующиеся продукты реакции раскисления в виде твёрдых частиц SiO₂, MnO и их возможных соединений (например, MnOSiO₂) не полностью удаляются из металла сварочной ванны в связи со столбчатым строением шва и переплетением осей кристаллитов, особенно в узких швах. Они остаются в металле шва в качестве эндогенных включений. Исследования показали, что почти весь кислород, захваченный металлом при сварке, заключается именно в таких неметаллических включениях, а поэтому концентрация кислорода в металле [%O₂], определяемая вакуумной экстракцией, характеризует засорённость металла шва неметаллическими частицами.