Лекции 18-25 (Электронные лекции)

Лекция 18

Газовые защитные среды при сварке

Механизмы струйной, камерной и вакуумной защиты и повышения качества металла шва

Идея газовой защиты зоны сварки была предложена Н.Н. Бенардосом еще в конце XIX в. в одном из его изобретений, но реально воплотилась в технологический процесс в конце 40-х годов ХХ в., когда появилась необходимость сварки активных металлов, таких как алюминий и его сплавы, а позднее титан и его сплавы.

Для защиты зоны сварки стали применять инертные газы – аргон и гелий. Были разработаны процессы аргонодуговой сварки и соответствующее сварочное оборудование для автоматической и механизированной сварки плавящимся и неплавящимся электродами. При сварке чистой меди оказалось возможным применять азот высокой чистоты, так как медь не дает с ним соединений, устойчивых в условиях дуговой сварки.

Однако для сварки низкоуглеродистых и низколегированных сталей применять дорогие и дефицитные инертные газы было экономически нецелесообразно, поэтому был разработан метод сварки в углекислом газе, который можно легко получить в любом количестве и в баллонах доставить к месту сварки.

В настоящее время этот метод сварки получил широкое применение при изготовлении конструкций из низкоуглеродистых и низколегированных сталей с высоким качеством сварных соединений. В последние годы разработаны способы газовой защиты с применением различных газовых смесей (Ar + He, Ar + O₂, Ar +
+ CO₂, CO₂ + O₂ и др.), что расширяет сварочно-технологические и металлургические возможности данного метода сварки. Наиболее широко применяют струйную защиту. Более качественную защиту обеспечивают камеры с контролируемой атмосферой.

К газовой защите можно также отнести вакуумную защиту, которая используется при дуговой и электронно-лучевой сварке высокоактивных металлов (титан, цирконий, молибден и т. д.).

Формирование газовой струйной защиты

С

Рис. 10.11. Схема струйной газовой защиты ме-
талла при сварке:

1 – основной материал; 2 – струя защитного газа; 3 – токоподвод; 4 – сопло, формирующее струю защитного газа; 5 – электрод; 6 –
дуга; 7 – сварочная ванна;
8 – шов

варку в струе защитного газа осуществляют с помощью специальной сварочной горелки, подающей в зону сварки защитный газ и электродную проволоку. Схема процесса представлена на рис. 10.11. С помощью сопла создается поток защитного газа, омывающий зону дугового разряда и вытесняющий из зоны сварки воздушную атмосферу (N₂, O₂). Качество сварных швов зависит не только от чистоты, но и от расхода защитного газа и характера его истечения из сопла под небольшим давлением, обеспечивающим спокойное (ламинарное) истечение, без завихрений.

Принято различать автоматическую и механизированную сварку в защитном газе. В последнем случае сварочный инструмент, т. е. горелка, перемещается рукой сварщика, а электродная проволока подается по гибкому шлангу с помощью отдельно установленного механизма в горелку. Механизированная сварка в защитных газах имеет наиболее широкое применение при проведении сварочных работ в судостроении, строительстве, когда невозможно использовать сварочные автоматы.

Металлургические процессы при сварке сталей в струе СО₂

Углекислый газ СО₂ обладает молекулярной массой 44 и плотностью 1,96 кг/м³, поэтому он хорошо вытесняет воздух, плотность которого ниже (1,29 кг/м³). Поставляют углекислый газ в баллонах или контейнерах, где он находится в жидком состоянии, так как переход из жидкого в газообразное состояние происходит при следующих критических параметрах газа: Т_кр = 304 К, р_кр =
= 7,887 MПa.

Для сварки применяют углекислый газ с пониженным содержанием вредных примесей – кислорода, азота, оксида углерода, влаги – в соответствии с ГОСТ 8050–74, т. е. отличающийся от пищевого СО₂.

Углекислый газ в области высоких температур диссоциирует
на СО и О₂. На этот процесс расходуется часть тепловой энергии Q дугового разряда:

2СО₂ 2СО + O₂ – Q. (10.15)

Рост константы равновесия процесса диссоциации при повышении температуры следует из рис. 9.3.

В

Рис. 10.12. Изменение температуры и концентрации СО, СО₂ и О₂
при сварке в углекислом газе

условиях высоких и быстроменяющихся температур при сварке состав продуктов диссоциации СО₂ в разных точках дугового разряда будет изменяться. На рис. 10.12 приведена схематическая диаграмма распределения температуры и концентраций газов вдоль оси сварного шва при движении сварочной головки с постоянной скоростью v_св.

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:

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 (Св-08ГС, Св-08Г2С). При сварке
легированных сталей необходимо использовать специальные сварочные проволоки Св-08Х3Г2СМ, Св-10ХГ2СМА, Св-08Г2СДЮ, также содержащие раскислители (марганец и кремний), 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 содержащихся в СО₂
паров воды

2Н₂О 2Н₂ + О₂ (10.18)

тоже будет тормозиться вследствие высокого парциального давления кислорода, полученного при диссоциации СО₂.

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 дуговой сварке в СО₂ проплавление увеличивается, а ширина шва уменьшается, и это приходится учитывать технологам.

Газовая атмосфера на участках, удаленных от оси столба дуги, будет обогащаться СО₂ и водородом, образовавшимся при диссоциации паров воды. Взаимодействуя с СО₂, 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. В среднем при сварке низкоуглеродистых, низколегированных сталей в струе СО₂ содержание водорода в наплавленном металле колеблется от 0,5 до 2 10^–5 м³/кг.

При вводе Si и Mn в сварочную проволоку атмосфера будет по-прежнему окислительной, но эти элементы, попадая в сварочную ванну, будут связывать кислород, растворенный в металле,
т. е. раскислять металл шва:

[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 (содержит меньше шлаковых включений), и поэтому его пластические свойства несколько выше, чем при сварке под слоем флюса. Главный недостаток сварки в струе СО₂ – разбрызгивание металла электрода (до 12 %). Его сводят к минимуму, добавляя 3 % кислорода к СО₂. 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 столба дуги азот и кислород атмосферы (Л.С. Сапиро). Однако при взаимодействии пара с жидким металлом будет выделяться большое количество водорода:

Н₂О + Fe  [FeO] + Н₂;

Н₂  2[H].

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

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 составляет 1,783 кг/м³, т. е. значительно больше воздуха, и это облегчает получение струйной защиты. Гелий в 10 раз легче аргона, и для использования при сварке требуется больший его расход, чем аргона, что повышает стоимость сварочного процесса. Наряду со струйной, применяют более эффективную камерную защиту, т. е. 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, наводороживания, а также растворения газов и вредных примесей в сварочной ванне. Эти процессы связаны с несовершенством газовой защиты зоны сварки и прониканием в нее атмосферного воздуха. Кроме того, неизбежное присутствие даже небольших концентраций вредных примесей в инертных газах, наличие окисленных поверхностных слоев на кромках металла и сварочной проволоки способствуют образованию оксидов, нитридов и других веществ, заметно ухудшающих 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 сорта 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 770 К, в котором развиваются следующие реакции:

3Ti + 2H₂O TiO₂ + 2TiH₂;

Ti + O₂ TiO₂; (10.23)