Лекции 1-17 (Электронные лекции), страница 20

– разрыв образованного «мостика».

Если в период существования «мостика» через него протекает ток дуги, то «мостик» нагревается до температуры кипения, затем следует его взрыв и разбрызгивание. Для подавления взрыва и разбрызгивания целесообразно не допускать замыкания дуги каплей и сокращать время нахождения капли в столбе дуги.

Сила тяжести P и электродинамические силы F_эд способствуют отрыву капли от торца электрода, а сила поверхностного натяжения F_п.н удерживает ее на электроде. Электродинамические силы F_эд являются результатом наличия вокруг электрода (при протекании по нему тока) магнитного силового поля, оказывающего сжимающее действие на электрод – пинч-эффект, в результате которого появляются силы, сжимающие шейку капли:

(9.37)

где I – сварочный ток. Кроме того, вследствие сжатия шейки возникают продольные силы. Они направлены от меньшего сечения электрода радиусом r₀ = к большему – радиусом r₁ = d_к/2. Результирующие электродинамические силы F_эд, направленные вдоль оси электрода в сторону ванны, выражаются формулой

(9.38)

Отсюда следует, что электродинамические силы возрастают с увеличением тока и уменьшением диаметра электрода.

Капля, отрывающаяся от торца электрода, как правило, отклоняется в сторону, противоположную направлению сварки под действием сил давления газового потока и реактивных сил, создаваемых газом, выделяющимся из капли. Это приводит к возникновению потока жидкого металла по оси сварочной ванны, который движется в хвостовую часть ванны и там разделяется на левый и правый боковые потоки, частично возвращающие металл в сторону дуги и перемешивающие металл сварочной ванны (см. рис. 9.2). Размер капли определяется соотношением сил, удерживающих ее на торце электрода, и сил, стремящихся ее оторвать. Для измельчения капель снижают силу поверхностного натяжения (см. рис. 8.16) или отрывают их механически, не допуская укрупнения. На силу отрыва капли влияют поверхностно-активные вещества, входящие в соприкосновение с жидким металлом.

Некоторые вещества, такие как углекислые соли щелочных и щелочноземельных металлов, свободный кислород и др., обладают способностью заполнять свободные связи на поверхности жидкости и тем самым ослаблять связь поверхностных атомов и молекул жидкости между собой. При этом силы поверхностного натяжения резко уменьшаются. С увеличением температуры расплавленного металла поверхностное натяжение также несколько снижается. Таким образом, наличие кислорода, образующего оксиды МeO, и других поверхностно-активных веществ, а также увеличение сварочного тока понижают поверхностное натяжение капель.

Увеличение сварочного тока значительно влияет и на силы отрыва капли, так как растут электродинамические силы F_эд, а также увеличиваются сила давления газовых потоков F_г.п и реактивные силы, вызываемые газообразованием в капле и испарением. Следовательно, увеличение сварочного тока приводит к росту всех сил, вызывающих отрыв капли, а значит, к измельчению капель и переходу к струйному переносу без коротких замыканий.

При ручной дуговой сварке электродом с толстым покрытием на больших токах наблюдается преимущественно мелкокапельный перенос металла с редкими замыканиями дугового промежутка. В этом случае поверхностное натяжение металла капель снижается как за счет наличия поверхностно-активных веществ в шлаке, так и вследствие более высокой температуры капель. Силы отрыва нарастают интенсивнее и появляется дополнительная сила F_г.п давления газового потока. Активно развивающиеся процессы газообразования могут преждевременно дробить каплю на более мелкие капли.

При сварке под флюсом применяются еще более высокие сварочные токи. Силы отрыва, особенно электродинамические силы, резко возрастают. Увеличивается воздействие газового потока F_г.п, усиливаются процессы газообразования в капле, а также испарения. В результате этого при сварке под флюсом наблюдается мелкокапельный перенос металла без коротких замыканий, а также перенос в виде паров.

Установлено значительное влияние на размер переносимых капель не только силы, но и плотности тока, которые возрастают при малых диаметрах электрода. При некотором критическом значении плотности тока капельная форма переноса переходит в струйную. Подобная форма переноса наблюдается при сварке в защитных газах. В.И. Дятлов объясняет переход от капельного переноса к струйному увеличением площади активного пятна столба (см. рис. 9.24), когда активное пятно охватывает боковую поверхность капли и увеличиваются сжимающие силы. Тогда конец электрода заостряется, капля вытягивается в конус и возникает струйный перенос (рис. 9.24, б).

Размер переносимых капель оказывает существенное влияние на ход металлургических процессов. Чем мельче капли, тем больше суммарная поверхность соприкосновения их с окружающей средой, а значит, полнее взаимодействие с этой средой (растворение газов, процессы легирования элементами из покрытий и флюсов, их окисления, испарения легирующих элементов и др.). Однако нельзя забывать, что в таком случае время существования капель уменьшается, а потому снижается и полнота протекания реакций.

Например, при увеличении тока в интервале 110..300 А удельная поверхность капель изменяется незначительно, но время существования капли на торце электрода уменьшается в 1,6 раза. Между тем с увеличением напряжения (и соответственно длины дуги) в интервале 14…27 В при неизменном токе 200 А уменьшается удельная поверхность капель в 2,2 раза и увеличивается время их существования в 8,3 раза. Таким образом, развитие реакций в каплях особенно сильно зависит от длины дуги. Этот вывод подтверждают исследования химического состава наплавленного металла.

Так, легирующие элементы, предварительно введенные в состав электродной проволоки, частично окисляются в период существования металла в капельной форме. Особенно велики потери активных металлов (Ti, Mn, Cr). Они определяются коэффициентом перехода элемента, равного отношению его массовых долей в шве и электроде.

При сварке с участием флюсов во время перехода через газовую среду капли частично или полностью покрываются оболочкой расплавленного шлака, в результате чего значительно активизируются реакции между ним и жидким металлом. Возможно также перемешивание металла со шлаком – в результате бурного выделения газов из капли. По данным А.А. Ерохина, температура капель при сварке электродами из малоуглеродистой стали при токе 185 и 240 А составляет соответственно 2518 и 2613 К.

При сварке алюминия в среде аргона температура капель,
по данным А.Я. Ищенко, достигает 2200 К, а при сварке в гелии – значительно меньше, что способствует сохранению легко испаряющихся легирующих элементов (Mg и др.) и уменьшению пористости.

Совершенствование сварочных процессов направлено на подавление негативных явлений при переносе электродного металла в сварочную ванну. Разработаны различные электромеханические методы принудительного отрыва капли от электрода, а также снижения ее перегрева путем устранения коротких замыканий дуги через каплю. Для этого применяют питание дуги импульсами тока, при котором частота перехода капель равна частоте импульса. Увеличивая частоту до 200…300 Гц, получают стабильный мелкокапельный перенос без коротких замыканий дуги и разбрызгивания.

Перенос присадочного металла при сварке неплавящимся электродом состоит в подаче присадочной проволоки в зону действия дуги со стороны хвостовой части сварочной ванны. Для исключения капельного переноса и шунтирования дуги присадочная проволока подается по касательной к поверхности ванны. Поэтому проволока разогревается теплом дуги лишь до плавления и стекает в ванну. Этот способ переноса выгодно отличается минимальным перегревом присадочного металла и наиболее высоким коэффициентом перехода легирующих элементов.

Перенос присадочного металла при электронно-лучевой сварке также состоит в капельной подаче присадки через луч в сварочную ванну. Кроме того, применяют способ сварки, при котором происходит проплавление свариваемого металла и подкладки, интенсивное перемешивание в сварочной ванне, вынос ее нижних слоев и на поверхность, т. е. создание усиления шва.

Лекция 16

Основные металлургические процессы при сварке под флюсом

Окисление, раскисление и легирование при сварке различных сталей

Присутствие кислорода в газовой фазе флюсовой полости обусловлено в основном тем, что:

– на поверхности металла свариваемых кромок имеются оксиды (окалина Fe₃О₄ и ржавчина Fe₂О₃ 2Н₂О), диссоциирующие при дуговом нагреве (с выделением свободного кислорода) или вступающие с жидким железом в реакции:

Fe₃O₄ + Fe = 4FeO, (9.43а)

Fe₂O₃ + Fe = 3FeO; (9.43б)

– во флюсе есть воздух и влага, диссоциирующая при cварке и взаимодействующая с жидким железом по реакции

Н₂О + Fе_ж [FеО] + Н₂; (9.44а)

– при дуговой сварке происходит выделение на аноде кислорода по реакции

2(ОН)^– + [Fe] (Fe²⁺) + (О^2–) + 2[Н], (9.44б)

а на катоде – водорода по реакции

Н⁺ + е [H]. (9.45)

Кроме того, кислород попадает в жидкий металл ванны при прямом взаимодействии Fе_ж с химически активными оксидами жидких шлаков в результате обменных реакций, например

(SiO₂) + 2Fе_ж 2 (FeO) + [Si]. (9.46)

Таким образом, в шлаке возникает закись железа FeO, которая растворима в жидком железе. Если оксид, растворимый в металле, образуется во флюсе-шлаке, то между концентрациями этого оксида согласно закону распределения Нернста устанавливается определенное соотношение

(9.47)

В результате реакции (9.46) жидкий металл одновременно окисляется и легируется (обычно кремнием или марганцем). Термодинамический расчет, подтверждающий ход этих реакций в указанных направлениях дан в гл. 8 (пример 8.3). Таким образом, кремнемарганцевые шлаки, имеющие большее количество кислотных оксидов (% SiO₂ > % МnО), окисляют капли электродного металла при высоких температурах (т. е. осуществляется первая стадия кремнемарганцевого процесса). Поэтому они считаются активными. Наряду с окислением капли кремнемарганцевые шлаки обогащают металл кремнием и марганцем, которые, попадая в более холодный металл сварочной ванны, вызывают процессы раскисления.

Если в электродном металле содержатся легирующие элементы с бóльшим сродством к кислороду, чем у железа, то происходит их необратимое окисление при взаимодействии с SiO₂ и МnО. Поэтому

при сварке легированных и высоколегированных сталей недопустимо применение кремнемарганцевых флюсов, которые хотя и имеют хорошие сварочно-технологические свойства, но весьма активны, так как содержат термически малопрочные оксиды SiO₂ и МnО, выделяющие кислород в обменных реакциях.

Ввод термически более стойких кислотных оксидов Al₂О₃ и TiO₂ позволяет несколько снизить активность флюсов, но вызывает другие реакции окисления (с участием углерода и кремния) и восстановление алюминия и титана, переходящих в металл шва из флюсов. Однако окисление Al₂О₃ и ТiO₂ происходит при более высоких температурах и по более сложной схеме:

– восстановление алюминия и титана из Al₂О₃ и TiO₂ кремнием;

– окисление легирующих элементов (С, Si, Mn, Сr) кислородом, выделяющимся при частичной диссоциации Al₂О₃ и TiO₂;

– образование в наплавленном металле остаточного кислорода (входившего в состав Al₂О₃ и TiO₂), т. е. создаются включения.

Такой же результат имеет место при вводе кислотного оксида ZrO₂. Итак, с увеличением количества кислотных термостойких оксидов в составе флюса (А1₂О₃, ZrO₂, TiO₂) усиливаются процессы окисления легирующих элементов (Cr, Si, Mn, Nb) и восстанавливаются металлы Zr, Al, Ti из их оксидов. При этом растет общее
содержание кислорода, а содержание других ферритизаторов и ферритной фазы уменьшается. Термодинамические расчеты, выполненные Н.Н. Потаповым, показали, что окисление хрома Cr и наиболее эффективного ферритизатора и стабилизатора ферритной
фазы в аустените – ниобия Nb происходит с участием диоксида кремния SiO₂, а также его монооксида SiO по следующим реакциям:

[Сr] + 2(SiO₂) (Сr₂О₃)_шл + 2SiO_газ; (9.48)