Лекции 18-25 (Электронные лекции), страница 4

В настоящее время существуют электродные покрытия, применяемые при сварке сталей, чугунов, сплавов никеля, меди и алюминия.

Лекция 20

Физико-химические реакции металлургических процессов при сварке электродами с покрытием

Принципы комбинирования компонентов покрытий при сварке углеродистых, легированных и высоколегированных сталей

В

Рис. 10.19. Схема взаимосвязи процессов образования газошлаковой защиты

се защитно-легирующие покрытия, несмотря на их различный состав, работают по одной и той же схеме, представленной на рис. 10.19. В результате горения дуги, плавления электрода и покрытия практически одновременно идут процессы формирования сварочной ванны, ее газовой и шлаковой защиты от насыщения азотом, а также от окисления кислородом воздуха. Затем идут процессы нейтрализации водорода, раскисления, легирования и модифицирования, рафинирования жидкого металла, его кристаллизации, связывания продуктов всех реакций в шлаковую фазу и отделения шлаковой корки. Однако в разных типах покрытия указанные процессы осуществляются по различным физико-химическим реакциям.

Сварка электродами с рудно-кислым покрытием (А). Рудно-кислые покрытия создают значительное количество газов (СО₂,

С

Рис. 10.20. Зависимость ударной вязкости от температуры испытания шва при сварке электродом с основным (кривая 1) и рудно-кислым (кривая 2)
покрытиями

О, Н₂, Н₂О) в результате разложения и окисления крахмала или органических компонентов, что и обеспечивает хорошую защиту от атмосферного воздуха. Кроме того, при нагреве Fe₂O₃ выделяется кислород, связывающий водород в нерастворимый пар Н₂О. Однако для противодействия окислению металла кислородом, выделяющимся из гематита Fe₂O₃, в покрытия этого типа требуется ввести значительное количество раскислителей, главным образом ферромарганца. Так, в электродах ЦМ-7 содержится до 33 % гематита и около 30 % ферромарганца, что достаточно для восста-новления почти всего гематита. При вводе большого количества раскислителей образуется много продуктов раскисления – оксидов. Часть из них не выходит из шва и создает неметаллические включения, снижающие ударную вязкость и пластичность швов (рис. 10.20).

Окислительно-восстановительные процессы при сварке этими электродами можно описать следующими уравнениями реакций:

(Fe₂O₃) + Mn = (MnO) + 2[FeO];

[Mn] + [FeO] = (MnO) + Fe; (10.30)

(SiO₂) + 2Mn = 2(MnO) + [Si].

Первая реакция экзотермична и выделяет значительное количество теплоты. За счет восстановления железа из покрытия коэффициент наплавки увеличивается до 10…12 г / (А ч). В последнее время этот принцип экзотермичности покрытия был применен для создания электродов, не требующих при сварке электрического тока. В них усилен эффект «бенгальских огней» путем ввода в покрытие соединений алюминия, магния и др., применяемых при термитной сварке.

Сварка электродами с рутиловым покрытием (Р). Иначе организованы те же процессы при сварке электродами с рутиловым покрытием Р. Газовую защиту образует СО и СО₂ при распаде карбоната MgСО₃, а также СО, СН и Н₂ при распаде декстрина. Связывание водорода в ОН путем окисления выполняют диссоциирующие СО₂, рутил и полевой шпат, состоящий преимущественно из SiO₂. Шлаковую защиту создает TiO₂ и SiO₂ (из полевого шпата).

Рутил является слабым окислителем. Он не полностью диссоциирует (TiO₂ = TiO + O), выделяя мало кислорода и сохраняя форму шлака (TiO). Раскислителем в этом покрытии служит FeSi. Электроды с покрытием такого типа обладают высокими технологическими свойствами – обеспечивают достаточную устойчивость горения дуги на переменном токе, хорошее формирование шва и отделяемость шлаковой корки, возможность сварки в любом пространственном положении шва. Рутиловые электроды малотоксичные и обеспечивают высокие механические свойства наплавленного металла.

Сварка электродами с основным покрытием (Б). В основном электродном покрытии типа Б газообразующим является CaCO₃, окислителями – CO₂ и SiO₂, раскислителями – FeTi и FeSi, а рафинирующим элементом – CaO. Одновременно СаО, CaF₂ и SiO₂ создают шлак, связывающий продукты раскисления.

Газовую защиту зоны сварки осуществляет СО₂ вследствие разложения мрамора СаСО₃. Образующийся оксид кальция СаО, не способный к диссоциации в зоне дуги, не выделяет О₂ и уходит на образование шлаковой системы основного типа СаО–СаF₂. Атмосфера сварочной дуги преимущественно состоит из СО, СО₂ и Н₂О в виде паров воды, выделяющихся из покрытия. Чтобы снизить уровень водяного пара и водорода в зоне сварки, эти электроды перед сваркой необходимо прокаливать при высокой температуре: 600…790 К (до 840 К). Водород, попадающий в дугу из атмосферы, связывается фтором в не растворимое в металле соединение HF.

Покрытие содержит несколько раскислителей, что позволяет получить мало окисленный и хорошо восстановленный металл с малым содержанием Н₂ (табл. 10.6). Поэтому электроды с таким покрытием называют низководородными. Присутствующий в шлаке оксид СаО хорошо рафинирует металл, что снижает склонность к образованию горячих и холодных трещин.

Таблица 10.6. Массовые доли включений, %, при использовании
для сварки сталей электродов с различным типом покрытия

Тип покрытия	[O2]	[N2]	[H2] 105	Неметаллические включения
Кислое (А) Основное (Б) Рутиловое (Р) Целлюлозное (Ц)	0,09–0,12 0,03–0,05 0,08–0,09 0,04–0,10	0,010–0,025 0,007–0,012 0,016–0,025 0,010–0,025	15–20 До 4 До 30 20–35	0,10–0,20 До 0,10 0,06–0,10 0,10–0,16

При сварке корозионно-стойких и жаростойких сталей применяют тот же тип покрытия, но с пониженным содержанием СаСО₃ (15…20 %), увеличивая содержание СаF₂ (60…80 %). В этом случае удается предотвратить науглероживание сварочной ванны и обеспечить содержание углерода в металле шва на уровне 0,05…0,02 %, как это требуется по техническим условиям.

Недостаток электродов с покрытием Б – малая устойчивость дугового разряда, что ограничивает выполнение сварки лишь на постоянном токе обратной полярности. Таким образом, технологические возможности электродов с покрытием Б, несколько ниже, чем электродов с покрытиями А и Р. Кроме того, повышенное содержание CaF₂ вызывает образование токсичных соединений и требует создания надежной вентиляции рабочей зоны.

Сварка электродами с целлюлозным покрытием (Ц). Целлюлозные покрытие Ц содержит в своем составе до 50 % органических веществ (древесная мука, целлюлоза). При их разложении и окислении выделяется большое количество газа, содержащего водород, окись углерода и др., что обеспечивает хорошую газовую защиту от воздушной среды при малом количестве шлака.

Для предотвращения водородной хрупкости или образования пор введены выделяющие кислород окислители: TiO₂, FeO, MnO₂. Для связывания водорода в HF в покрытия вводят также плавиковый шпат CaF₂. Надежная газовая защита позволяет снижать относительную массу покрытия: K_п = 20 %. Технологические свойства электродов с покрытием Ц (ОМА-2, ВСЦ, ВСП и др.) довольно высокие, что позволяет их применять при сварке в различных пространственных положениях. Электроды с целлюлозным покрытием имеют в наплавленном металле высокое содержание водоро-
да (см. табл. 10.6).  Они предназначены для сварки в монтажных условиях неповоротных стыков труб из незакаливающихся, низкоуглеродистых и низколегированных сталей. Наплавленный металл соответствует типам Э42 и Э46 (табл. 10.7). В таком металле, не склонном к закалке, водород не опасен, так как в процессе вылеживания выходит из металла по диффузионному механизму.

Лекция 21

Особенности металлургических процессов при дуговой сварке порошковой проволокой

Несмотря на хорошее качество наплавленного металла, ручная дуговая сварка электродами с покрытием малопроизводительна, а качество зависит от квалификации сварщика. Попытки механизации этого сварочного процесса не дали положительного результата, что объяснялось трудностями обеспечения надежного токоподвода к стержню электрода и удержания покрытия на длинном электроде, когда он свернут в бухту.

Более плодотворной оказалась идея помещения тех же порошкообразных компонентов, которые используются в качестве покрытий, внутри пустотелой электродной проволоки, получившей название порошковой проволоки.

В настоящее время порошковые проволоки нашли промышленное применение для механизированной сварки и наплавки в чистом СО₂, в его смесях с Ar или без защитного газа (т. е. c использованием самозащитной порошковой проволоки). Они изготовляются двумя способами – вальцовкой и волочением. В первом способе стальная лента толщиной 0,2…0,5 мм постепенно сворачивается в трубку на специальных вальцах. На определенной стадии вальцовки в еще не закрытую полость электрода засыпают высокодисперсные порошкообразные компоненты: шлако- и газообразующие (при сварке в СО₂ газообразующие компоненты не применяются), раскислители, а в ряде случаев и специальные легирующие добавки, а также железный порошок для обеспечения электрической проводимости сердечника. При этом исключаются связующие, пластификаторы и другие технологические добавки, которые, как правило, снижают качество шва. После этого трубку вместе с порошковым материалом дополнительно обжимают волочением, очищают от следов смазки и свертывают в бухты.

П

Рис. 10.22. Поперечные сечения порошковой проволоки, полученной
волочением (а) и вальцовкой (б, в, г, д)

оперечные сечения вальцованых и волоченых сварочных проволок приведены на рис. 10.22. При изготовлении волочением порошковой проволоки, имеющей герметичную оболочку, применяют трубы диаметром 9–10 мм, которые заполняют высокодисперсной шихтой и подвергают волочению для уменьшения диаметра. Такая проволока хорошо хранится и может подвергаться химической обработке. Диаметр порошковой проволоки колеблется от 1,6 до 3 мм. Она поставляется в кассетах с плотной рядовой намоткой. Бухта такой проволоки ставится в сварочный автомат для осуществления непрерывного процесса сварки. Однако шлаковой и газовой защиты зоны сварки при применении порошковой проволоки недостаточно, несмотря на содержание в ней 20…30 % порошков, поэтому для сварки ответственных конструкций требуется дополнительная газовая защита (СО₂, Ar). Недостаточная защита при применении порошковых проволок по сравнению с использованием электродов с покрытием обусловлена процессом плавления проволоки в дуговом электрическом разряде. Компоненты порошкового сердечника, имеющего малую электропроводность, получают меньшее количество энергии от дуги, замкнутой на стальную оболочку снаружи; поэтому задерживается процесс их плавления и замедляется металлургическая обработка сварочной ванны.

Таким образом, композиции порошков, разработанные для электродных покрытий, потребовалось изменить, с тем чтобы создать более эффективные системы шлаков и раскислителей, достаточные при сварке порошковой проволокой.

Главное отличие швов, полученых с применением порошковых проволок – малое содержание неметаллических включений, что обеспечивает высокие показатели ударной вязкости, достаточные для эксплуатации соединений при низких температурах, вплоть до –70 °С, что необходимо, в частности, при сварке в судостроении и при прокладке трубопроводов на Крайнем Севере.

На рис. 10.23 приведено сравнение количества неметаллических включений в швах, полученных различными способами сварки. Из рисунка следует, что наиболее чистый, а следовательно, и пластичный металл шва получают как при сварке электродами УОНИ-13/55, так и при сварке в СО₂ проволоками Св-08ГС и Св-08Г2С.

Порошковые проволоки используют для сварки малоуглеродистых, низколегированных и высокопрочных сталей. Они обеспечивают необходимые механические свойства металла шва, причем более высокие, чем при сварке электродами с покрытием.

П о типу сердечника порошковые проволоки разделяют на карбонатно-флюоритные и рутиловые, содержащие в качестве основы TiO₂ (ПП-АМ8, ПП-АН2, ПП-АН10 и др.), а также рутил-флюоритные на основе TiO₂ и CaF₂ (ПП-АН4, ПП-АН9, ПП-АН20 и др.). Для сварки открытой дугой, т. е. без защиты углекислым газом, применяют порошковые проволоки карбонатно-флюорит-ного типа, которые содержат газообразующие компоненты CaCO₃ и MgCO₃, а также плавиковый шпат, алюмосиликаты, раскисли-тели. Такие проволоки называют самозащитными (ПП-АН2,
ПП-АН6 и др.). Они применяются при сварке в атмосфере и под водой.

Порошковые проволоки используют также и для наплавочных работ с целью упрочнения поверхностных слоев. Они обеспечивают наиболее высокие уровни механизации и качество наплавок.

Лекция 22

Металлургические процессы при сварке под водой и в космосе

Применение в авиакосмической и ракетной технике новых конструкционных материалов на основе титана, молибдена, ванадия и других химически активных и тугоплавких металлов потребовало разработки принципиально новых методов сварки и более эффективных способов защиты зоны сварки.

Значительные трудности дуговой сварки указанных металлов обусловлены тем, что наличие в шлаковой и газовой фазах кислорода, азота, водорода и их соединений вызывает охрупчивание, появление пор и резкое ухудшение физико-механических свойств сварных швов.