Глава 10 и Контрольные вопросы редактированный (Вырезки в виде лекций), страница 4

В точке О на оси столба дуги происходят резкое повышение температуры и диссоциация СО₂. С каплями электродного металла, проходящими через дуговой промежуток, будет соприкасаться атмосфера, состоящая из 66,6% СО и 33,3% О₂. По отношению к металлу она окислительная, так как СО не окисляет металл:

2Fe + O₂  2FeO (10.16)

Поэтому CO₂ называют активным защитным газом. Он защищает зону дуги от компонентов воздуха и прежде всего от азота и водорода. Но в то же время большая концентрация СО будет тормозить этот процесс и, кроме того, задерживать окисление углерода стали, находящегося в соединении Fe3C, сдвигая реакцию влево:

[Fe3C] + [FeO]  4Fe + CO  (10.17)

Однако чтобы предотвратить окисление металла значительным количеством кислорода, образующегося в атмосфере дуги, необходим дополнительный ввод в сварочную проволоку раскислителей. Обычно применяют кремний (около 1%) и марганец (около 2%). Поэтому для сварки низкоуглеродистых сталей применяют специальные сварочные проволоки (Св08ГС, Св08Г2С). При сварке легированных сталей необходимо использовать специальные сварочные проволоки, также содержащие раскислители (марганец и кремний) – Св08Х3Г2СМ, Св10ХГ2СМА, Св08Г2СДЮ, которые предохраняют от окисления легирующие элементы, входящие в состав стали и сварочной проволоки.

Раскисляющие добавки, содержащиеся в каплях электродного металла, растворяются в жидком металле сварочной ванны и задерживают окисление железа и растворенных в нем элементов.

Диссоциация содержащейся в СО₂ паров воды, тоже будет тормозиться вследствие высокого парциального давления кислорода, полученного при диссоциации СО₂:

2Н₂О  2Н₂ +О₂ (10.18)

На участках, удаленных от оси столба дуги, будет происходить догорание окиси углерода, т.е. рекомбинация молекул СО с большим выделением тепловой энергии, которая раньше расходовалась на диссоциацию газа (около 30% электрической мощности дуги):

2СО + О₂  2СО₂ + Q (10.19)

Выделение теплоты при обратном процессе на периферийных участках дугового разряда увеличивает глубину проплавления и ширину шва. По сравнению с дугой, горящей в аргоне, при сварке в СО₂ проплавление увеличивается, а ширина шва уменьшается, что приходится учитывать технологам.

Газовая атмосфера на участках, удаленных от оси столба дуги, будет обогащаться СО₂ и водородом, образовавшимся при диссоциации паров воды. Взаимодействуя с СО_2, Н₂ будет связываться в молекулы Н₂О:

Н₂ + СО₂ Н₂О + СО (10.20)

Таким образом, при сварке в струе углекислого газа металл поглощает водород в меньших количествах, чем при других видах сварки ( рис. 10.23).

В среднем при сварке низкоуглеродистых низколегированных сталей в СО₂ содержание водорода в наплавленном металле колеблется от 0,5 до 210ˉ⁵ м³/кг.

При вводе Si и Mn атмосфера будет по-прежнему окислительной, но раскислители кремний и марганец, введенные в сварочную ванну по отношению к металлу в составе электродной проволоки, будут связывать кислород, растворенный в металле:

[FeO] + [Mn]  Fe + (MnO); (10.21)

2[FeO] + [Si]  2Fe + (SiO₂). (10.22)

В хвостовой части сварочной ванны шлак всплывает на поверхность металла, но обычно его недостаточно, чтобы создать сплошной защитный слой на поверхности шва.

Металл, наплавленный при сварке в струе СО₂, чище по шлаковым включениям, и поэтому его пластические свойства несколько выше, чем при сварке под слоем флюса. Главный недостаток сварки в СО₂ - разбрызгивание металла электрода (до 12%). Его сводят к минимуму, добавляя к СО₂ 3% кислорода. Это позволяет перейти к струйному переносу металла электрода.

В качестве активного защитного газа в отдельных случаях можно применять также перегретый водяной пар, который вытесняет из зоны дуги азот и кислород атмосферы (Л. С. Сапиро). Однако при взаимодействии пара с жидким металлом будет выделяться большое количество водорода:

Н₂О + Fe  [FeO] + Н₂; (10.23)

Н₂  2[H].

Это приводит к образованию пор, а в легированных сталях – и к образованию холодных трещин.

10.2.3. Металлургические процессы при сварке в инертных газах и их смесях.

Из инертных газов наиболее широко используют при сварке аргон (Ar), а также гелий (He). Плотность аргона 1,783 кг/м³, что значительно больше воздуха, а это значительно облегчает получение струйной защиты. Гелий в 10 раз легче аргона, что требует увеличенного расхода при сварке и повышает стоимость процесса. Наряду со струйной, применяют более эффективную камерную защиту, то есть выполняют сварку в камерах с контролируемой атмосферой. Аргон и гелий не образуют химических соединений с металлами и не растворяются в них, что обусловлено заполненностью внешних электронных оболочек атомов у этих газов. Однако при сварке имеют место процессы окисления, азотирования, наводораживания, а также растворения газов и вредных примесей в сварочной ванне, связанные с несовершенством газовой защиты зоны сварки и проникновением в нее атмосферного воздуха. Кроме этого, неизбежное наличие даже небольших концентраций вредных примесей в инертных газах, окисленных поверхностных слоев на кромках металла и сварочной проволоки, способствует образованию оксидов, нитридов и других соединений, заметно снижающих физико-механические свойства сварных соединений из высокоактивных металлов.

Чистота аргона, поставляемого для сварки, достаточно высока. Различают аргон высшего сорта и первого сорта. В зависимости от марки аргона в нем содержится различное количество вредных примесей (Н₂О, СО₂, N₂, O₂). Это необходимо учитывать при сварке различных легированных сталей или цветных сплавов, содержащих те или иные легирующие добавки. Для повышения чистоты применяемого аргона его следует пропустить через аппарат, содержащий стружку титана, нагретую до 770К, в котором развиваются следующие реакции:

3Ti+2H₂OTiO₂+2TiH₂;

Ti+O₂TiO₂; (10.23)

2Ti+N₂2TiN.

Таким образом, можно удалить из аргона следы влаги, кислорода и азота.

10.2.4. Особенности сварки различных сталей и сплавов в инертных газах.

Сварку сталей малых толщин осуществляют обычно аргонно-дуговой сваркой W электродом, что обеспечивает наиболее высокое качество соединений. Специфика сварки низкоуглеродистых низколегированных сталей, особенно кипящих, - склонность к пористости вследствие окисления углерода и выделения газа из ванны:

[Fe₃C] + [FeO]  4Fe + CO. (10.24)

Этот процесс идет за счет кислорода, накопленного в сталях во время их выплавки, но может возникать за счет примесей к аргону, за счет влажности газа и содержащегося в нем кислорода.

Для подавления этой реакции в сварочной ванне нужно иметь достаточное количество раскислителей (Si, Mn, Ti), т. е. использовать сварочные проволоки Св08ГС или Св08Г2С. Можно снизить пористость путем добавки к Ar до 5% О₂, который, вызывая интенсивное кипение сварочной ванны, способствует удалению газов до начала кристаллизации.

Среднелегированные стали содержат в своем составе достаточное количество активных легирующих компонентов для подавления пористости, вызываемой окислением углерода. При сварке в среде аргона уровень водорода незначителен. Поэтому главное внимание обращают на обеспечение благоприятной схемы кристаллизации. Это обеспечивает плотную структуру шва, а состав металла шва соответствует основному металлу, если электродные проволоки имеют также близкий состав. Для увеличения глубины проплавления применяют флюс-пасты, наносимые на кромки перед сваркой.

Аустенитные коррозионно-стойкие и жаропрочные стали (12Х18Н10Т и т.д.), склонные к образованию горячих трещин, сваривают в среде аргона неплавящимся электродом с присадкой, обеспечивающей 4 – 6% δ – Fe в шве. Аустенитно-мартенситные стали очень чувствительны к влиянию водорода, который сильно охрупчивает и дает замедленное разрушение в виде холодных трещин. В этих случаях требуется осушка аргона или добавка к нему многовалентных фторидов (SiF4), которые связывают водород в атмосфере дуги и уменьшают поглощение водорода металлом.

При сварке в аргоне листов толщиной (10 – 20 мм) применяют плавящийся электрод на постоянном токе обратной полярности. При этом в аргон добавляют 20%СО₂, или 5%О₂, либо их тройные смеси, с целью обеспечения мелкокапельного переноса. Капли металла окисляются с поверхности, что снижает поверхностное натяжение и ускоряет их отрыв. В ванне окислы металла восстанавливаются раскислителями, введенными в состав электродного металла. Добавка кислорода к аргону снижает также критическое значение сварочного тока, при котором обеспечивается мелкокапельный или струйный перенос капель в дугу.

Металлургия сварки цветных сплавов. При сварке сплавов на Al, Mg, Ti и Cu основе требуется аргон повышенной чистоты, а также тщательная разработка технологии подготовки свариваемых кромок и электродной проволоки из-за опасности появления пористости сварных соединений. Это определяется физико-химическими свойствами металлов.

Металлургия сварки алюминия и его сплавов (Al-Mg, Al-Cu и др.) в защитных газах затруднена наличием оксидных пленок Al₂O₃, с температурой плавления около 2300 К. Оксиды алюминия способствуют образованию пор в металле шва и снижают пластичность шва.

Оксид Al₂O₃ может гидратироваться, и при попадании в сварочную ванну он будет обогащать ее водородом, что приведет к пористости в сварном соединении, поэтому перед сваркой кромки изделия травят в щелочных растворах, механически защищают металл и обезжиривают. Электродная проволока подвергается травлению и механической зачистке. Наилучшим способом подготовки электродной или присадочной проволоки является электрохимическая полировка. Полированная проволока может долго храниться в кассетах с плотной рядовой намоткой и не требует никакой предсварочной обработки.

Главнейший фактор очистки ванны от окислов – катодное распыление. Для этого свариваемый металл должен быть катодом, который бомбардируется положительными ионами, разрушающими окислы. Чтобы не перегревать W-электрод, применяют переменный ток. Очистка от окислов сменяется периодом ослабления нагрева вольфрама.

Наиболее производительный метод - сварка плавящимся электродом. При этом применяют постоянный ток обратной полярности, когда эффект катодной очистки ванны от окислов действует непрерывно, а главный этап насыщения металла водородом - стадия капли. Чем крупнее капля, тем дольше она находится в столбе дуги, а затем создает короткое замыкание дуги, нагреваясь до температур близких к кипению (Т>2100 К). При этом она теряет большую долю легирующих элементов (по данным А.Я. Ищенко в сплаве АМg6 содержание магния снижается до 3-4 %) и насыщается водородом из зоны дуги. Поэтому интенсивно разрабатываются процессы управляемого мелкокапельного переноса путем принудительного отрыва жидкого металла от электрода на основе пинч- эффекта. Весьма эффективна импульсно – дуговая сварка плавящимся электродом на постоянном токе обратной полярности с частотой 200 – 300 Гц.

Сварка магниевых сплавов (МА2; МА8; MA2-1) в основном похожа на сварку алюминиевых сплавов, но оксид MgO, составляющий основную часть поверхностного слоя, менее прочно связан с металлом и не обладает такими защитными свойствами, как Al₂O₃.

Основные дефекты при сварке алюминиевых и магниевых сплавов – пористость и наличие оксидных включений в металле шва, так как оксиды Al₂O₃ и МgО обладают большей плотностью, чем жидкий металл, не всплывают из ванны и не растворяются в ней.

Металлургия сварки титана и его сплавов чрезвычайно осложнена исключительной химической активностью титана. Титан и его наиболее распространенные сплавы (ВТ1, ВТ5, ВТ15, ОТ4) реагируют с кислородом, азотом, углеродом, водородом. Наличие этих соединений приводит к резкой потере пластичности металла сварного соединения.

Особенно титан чувствителен к водороду, с которым он образует гидриды TiH₂; TiH_1,75, разлагающиеся при высокой температуре, а при кристаллизации образующие игольчатые кристаллы, которые нарушают связь между металлическими зернами титана , вызывая склонность швов к замедленному разрушению.