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.

Современные физические и физико-химические методы защиты металла при сварке плавлением приведены на рис. 10.1. Они реализуются в различных сочетаниях при всех способах сварки плавлением, известных в настоящее время. Широко применяются четыре основных вида защиты металла в зоне сварки: 1) шлаковая защита; 2) газовая защита; 3) вакуумная защита; 4) газошлаковая защита.

10.1. Шлаковая защита при дуговой сварке под флюсом.

10.1.1. Формирование шлаковой защиты сварочной ванны при дуговой сварке.

Шлаковая защита сварочной ванны реализуется при автоматической и механизированной дуговой сварке под слоем флюса (рис. 10.2), а также при электрошлаковой сварке. Электрический дуговой разряд, возникающий между деталью и электродной проволокой, перемещаемой вдоль свариваемого шва механическим устройством, поддерживается в замкнутой полости под расплавленным флюсом и флюсом в вязком полужидком состоянии. Образуемые при этом газы дуговой атмосферы – пары металла и компонентов флюса – создают давление внутри флюсовой полости выше, чем давление окружающей атмосферы. Это обеспечивает защиту зоны сваривания от воздуха. Кроме того, в местах контакта жидкого флюса с металлом электрода и сварочной ванны происходят все основные металлургические реакции: раскисление, легирование, рафинирование. Продукты этих реакций, не растворимые в металле, имеют меньшую плотность, объединяются с расплавленным флюсом в легкоплавкие комплексы – шлаки, которые сосредотачиваются над жидким металлом ванны и после затвердевания легко отделяются от металла шва. Дуговая сварка под флюсом обеспечивает хорошее формирование геометрии сварного шва и высокое качество металла. Она применима для большинства конструкционных сплавов на основе железа, никеля, меди, титана и алюминия.

Однако для получения сварных соединений высокого качества из различных сталей и сплавов необходим обоснованный выбор составов сварочного флюса, электродной проволоки и режимов сварки. Изучение закономерностей их взаимодействия и прогнозирования позволяет осуществлять прогнозирование и управление ходом металлургических процессов при сварке.

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 расплавлению.

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 гранул 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, где металл нагревается до температуры, близкой к кипению. Она охватывает переднюю стенку ванны, плавящийся торец электрода, капли металла, проходящие дуговой промежуток, а также активное пятно дугового разряда на дне в сварочной ванны;

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 под флюсом, содержащим MnO и SiO2 интенсивно развиваются эндотермические обменные реакции, приводящие к легированию капель железа кремнием и марганцем и одновременно к окислению компонентами флюса в результате образования окислов железа, растворяющихся в каплях:

Fe + (MnO)  [Mn] + [FeO]; (10.1)

2Fe + (SiO₂)  [Si] + 2[FeO].

Такой процесс (10.1) называется кремнемарганцевосстановительным. Ход этих реакций в прямом направлении подтверждается термодинамическими расчётами, приведенными в главе 9 (пример 3).

В этой же зоне может происходить окисление углерода стали окислами железа, если химический потенциал его меньше, чем у Mn и Si. (Пример 9).

[FeO] + [C]  Fe + CO (10.2)

Обычно в составе электродных проволок содержится пониженное содержание углерода, что исключает реакцию (10.2), приводящую к выделению газа – окиси углерода из капли. Кроме того, при высоких температурах происходит восстановление кремния марганцем из SiO₂

2[Mn] + (SiO₂)  [Si] + 2MnO. (10.3)

Вероятность этой реакции обоснована пересечением линий ∆G=f(T) и подтверждено примером 5.

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

Обогащённый кремнием и марганцем металл в виде капли попадает в низкотемпературную зону сварочной ванны. При понижении температуры реакции (10.1) идут в обратном направлении, т.е. эти компоненты (кремний и марганец) начинают раскислять металл и их концентрация в металле шва снижается, приближаясь к исходному.

[Mn] + [FeO]  Fe + (MnO),

[Si] + 2[FeO]  2Fe + (SiO₂). (10.4)

Поскольку основная часть FeO извлечена шлаком, то металл шва после раскисления (по 10.4) будет содержать больше Si, чем исходное. Часть Mn при этом расходуется на восстановление Si, следовательно имеет место легирование при сварке.

10.1.4. Степень 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 расчетный состав, предполагая, что никаких потерь элементов в результате химических реакций не было:

[x]_р = [x]₀m + [x]_э n,

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

Если [x]_ш – [x]_р=∆[x]>0, происходит легирование, а если [x]_ш – [x]_р=∆[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 а и б приведены графики перехода марганца и кремния 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.10.4 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 и степени легирования главными компонентами (∆SiO₂, ∆MnO) Н. Н. Потаповым предложены следующие уравнения:

A _SiO2=%SiO₂/100B; A _MnO=0,42(%MnO)B/100, (10.5)

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

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

При обосновании выбора флюсов для сварки различных марок 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.