Глава 10 и Контрольные вопросы редактированный (1043890), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

При этом одновременное выделение включений MnO и SiO₂ в соотношениях приводящих к образованию легкоплавких комплексов SiO₂MnO (Т_пл=1473К), что способствует более полному удалению их из ванны.

Наличие в металле эндогенных шлаковых включений, служащих концентраторами напряжений, сильно влияет на физико-механические свойства металла шва, в частности, на его пластичность и ударную вязкость. При малом содержании легирующих элементов в стали ударная вязкость достаточно большая и влияние концентраторов напряжений мало. К ним относятся низкоуглеродистые стали.

К основным флюсам относятся малоактивные флюсы А_ф0,30,1. Они содержат большое количество СaO, у которого при сварочном нагреве нет диссоциации (Т_дисс выше 5000К). Поэтому такие флюсы не оказывают окислительного воздействия на металл. Второй необходимый компонент таких флюсов – CaF₂  бескислородный оксид, вводимый для снижения температуры плавления основы (Т_пл CaO – 2973К). Третий компонент каждого флюса – SiO₂ – вводится в основные флюсы для улучшения отделимости шлаковой корки. Количество SiO₂ определяют исходя из требования полной его связи в комплексы, т.е. для перевода в связанное неактивное состояние. Такие флюсы применяют при сварке низколегированных и высоколегированных сталей для решения главных задач – защиты металла от взаимодействия с атмосферой и его рафинирования. Легирование металла шва обеспечивают вводом элементов в электродную проволоку. Однако многие легирующие элементы частично окисляются в ванне и создают неметаллические включения из оксидов снижающие преимущественно ударную вязкость швов. В некоторых случаях для более эффективного легирования ванны подают в нее дополнительную присадочную проволоку в нагретом состоянии. Такой процесс называют сваркой с дополнительной горячей присадкой (сварка с дополнительной горячей присадкой). Металл такой присадочной проволоки расплавляется теплом жидкого металла в глубине сварочной ванны. Поэтому он не взаимодействует с газами дуги, не перегревается, не проходит стадию капли и не насыщается водородом. Кроме того он практически не взаимодействует со шлаком, что позволяет сохранить в полной мере все содержащиеся в проволоке легирующие элементы и модификаторы иттрий, церий, лантан и др.

Керамические или неплавленые флюсы для сварки металлов позволяют сохранять все преимущества механизированной сварки под слоем плавленого флюса (малые потери металла, высокая производительность, высокое качество сварных соединений), но в то же время позволяют легировать и раскислять металл сварочной ванны в очень широких пределах.

Высокая раскислительная способность керамических флюсов позволяет вести сварку даже по окисленным кромкам (монтажное строительство; судостроение). Керамические флюсы используют и для сварки цветных металлов – меди и её сплавов, алюминия и его сплавов и др. Основной недостаток керамических флюсов состоит в том, что они обладают повышенной гигроскопичностью, не допускают высокотемпературной прокалки (Т873К), что приводит к повышенному содержанию водорода в сварных швах. Кроме того, они требует хранения в герметичной таре и прокалки перед сваркой.

10.1.5. Влияние параметров режима сварки на развитие металлургических процессов при сварке под флюсом.

Главными параметрами режима сварки являются напряжение на дуговом промежутке U_д, связанное с длиной дуги, сила тока I_д и скорость сварки v_св. Вместе они определяют энерговложение при сварке или значение погонной энергии.

Однако не все параметры одинаково влияют на металлургические процессы формирования металла шва. Наибольшее влияние имеет напряжение на дуге, увеличение которого форсирует окислительно-восстановительные процессы на границе раздела металл – шлак.

Если исходить из ионной теории шлаков, то рост падения потенциала в приэлектродной области дугового разряда увеличивает возможность окислительно-восстановительных процессов, требующих затраты электрической энергии (электролиз).

Повышение разности потенциалов на дуговом промежутке увеличивает длину дуги и, следовательно, растягивает высокотемпературную область сварки и увеличивает температуру перегрева капель металла, проходящих дуговой промежуток. Повышение температуры также способствует переходу Mn из шлака в металл, так как реакция 10.1 при этом развивается в прямом направлении (глава 9, пример 6).

И. И. Фрумин исследовал этот вопрос экспериментально для перехода Mn и Si в металл и выгорания углерода при механизированной сварке под флюсом АН-348 низкоуглеродистой стали проволокой Св-08 при переменном напряжении на дуговом промежутке. Ему удалось установить влияние напряжения на развитие металлургических процессов путём сопоставления исходного содержания компонентов (штриховые линии на рис. 10.7…10.9) с фактическим содержанием в металле шва.

На рис. 10.6 показано, что концентрация углерода тем меньше, чем выше напряжение и исходное содержание. На рис. 10.7 и 10.8 показано изменение концентраций кремния и марганца в зависимости от исходных концентраций и напряжения, причём оказалось, что переход этих элементов в металл шва ограничен для марганца примерно 1,2%, а для кремния примерно 0,55%. Это связано с тем, что активность кремния к кислороду при снижении температуры растёт. Сварочный ток почти не влияет на процессы легирования и раскисления металла, так как увеличение погонной энергии приводит к увеличению массы расплавленного флюса, но условия реакций на границе раздела существенно не изменяются.

10.1.6. Снижение содержания водорода в металле шва при сварке под флюсом.

Содержание водорода в сварочной ванне в процессе сварки может быть существенно снижено следующими способами:

• прокалкой сварочных материалов (флюсов, сварочных проволок), температура прокалки флюса зависит от состава флюса и может изменяться от 627 до 1232 К. Чем выше основность флюса тем больше температура прокалки;

• проведение операции сушки перед прокалкой при температуре 373 – 627 К;

• сокращением времени между прокалкой и сваркой (для пемзовидных не более 4-х, а для стекловидных не более 8 часов.). Керамические флюсы просушивают до 313 – 363 К, а прокаливают при 873 К. Более высокая температура прокалки керамических флюсов приводит к окислению металлических добавок входящих в состав флюса. Поэтому при прочих равных условиях применение керамических флюсов приводит к повышению содержания водорода по сравнению с плавленными флюсами;

• снижением парциального давления водорода в атмосфере дуги путем очистки свариваемых кромок от ржавчины, окалины и масляных пленок;

• применением вместо переменного постоянного тока на обратной полярности.

При сварке с флюсовой защитой металла, включая комбинированную газошлаковую защиту, существенное снижение главного фактора -парциального давления водорода во флюсовой полости и в зоне дуги достигается путем его связывания в нерастворимые соединения с фтором (HF) в результате выделения фтора из CaF₂ -входящего в состав флюсов, по реакциям:

СaF₂+H₂=Ca+2HF;

CaF₂+H₂O=CaO+2HF; (9.41)

CaF₂+3SiO₂→CaSiO₃+SiF₄;

SiF₄+2H₂→Si+4HF;

SiF₄+2H₂O→SiO₂+4HF

Из выше приведенных реакций следует, что наличие во флюсе CaF₂ cовместно с SiO₂ обеспечивает связывание водорода (H₂), а также Н₂ входящего в пары воды в нерастворимые соединения Hfи приводит к снижению парциального давления Н₂ в сварочной ванне.

Кроме того, тщательная прокалка флюсов, хранение в герметичной таре, очистка поверхности металла и электродной проволоки от ржавчины Fe₂O₃·2H₂O и масла снижает предотвращению пористости.

При сварке под кремнемарганцевыми флюсами снижению водорода способствует кроме того кислород, связывающий его в нерастворимое соединение OH и H₂O.

10.1.7. Принципы выбора состава флюсов для сварки сталей и сплавов.

Флюсы для сварки низкоуглеродистых сталей.

При сварке этих сталей (Ст3, Сталь 20) необходимо сохранить углерод – единственный упрочнитель. Применяют кислые флюсы и электродные проволоки двух систем.

В отечественной практике применяют высокомарганцовистый флюс – силикат (MnO+SiO₂) в сочетании с низкоуглеродистой проволокой Св-08А или Св-08АА (по ГОСТ 2246-70). В зарубежной практике применяют безмарганцевый высококремнистый флюс в сочетании с высокомарганцовистой проволокой. Общим является легирование капли и ванны кремнием за счет кремневосстановительного процесса и легирование металла ванны марганцем через флюс или проволоку. Реакция в капле имеет вид:

2Fe+SiO₂↔Si+2FeO (10.7)

Для кипящих сталей, практически не содержащих Si, она имеет особо важное значение, так как только при содержании в жидкой ванне кремния не ниже 0,2% возможно предотвратить в ванне реакцию окисления углерода:

[C]+[O]=CO (10.8)

Ввод кремния позволяет сохранить прочность шва и одновременно исключить образование пор при выделении из ванны окиси углерода (СО). К повышению уровня Si приводит и реакция его восстановления марганцем. Кроме того, наличие в каплях и ванне при высоких температурах значительного количества FeO по реакции:

2Fe+SiO₂↔Si+2FeO (10.9)

что способствует обогащению ванны кислородом, который связывает водород и препятствует образованию других - водородных пор в результате связывания водорода по реакции:

[FeO]+H₂ ↔ (H₂O)+Fe_ж (10.10)

При отсутствии кремния углерод выгорает, причем весьма интенсивно при высоких температурах, а также в конце кристаллизации, когда все примеси и углерод ликвируют в последние порции жидкой фазы и его концентрация повышается. Эта реакция экзотермическая и согласно принципа подвижного равновесия должна развиваться и при понижении температуры.

Наряду с защитой углерода и железа кислые флюсы обеспечивают легирование швов Si и Mn. Кислые флюсы способствуют рафинированию с помощью Mn и MnO, связывающих серу в тугоплавкие соединения, а MnO – выводит серу в шлак

Наибольшее распространение получили плавленные флюсы АН-348А, ОСЦ-45, ФЦ-6,(3),(9), АН-60, ТА.St.9, а также керамические АНК-25, FB-106, SPSMn-35/100. Их химические составы приведены в табл. 10.1.

Флюсы ОСЦ-45, АН-348 применяются более 50 лет. Они имеют высокие сварочно-технологические свойства, но швы содержат много дисперсных силикатных включений и имеют ограниченную ударную вязкость (KCU<100Дж/см² для образцов с U-образным надрезом при нормальной температуре).

Флюсы для сварки низколегированных сталей.

Они содержат в сумме не более 5% легирующих элементов, причем содержание каждого из них не превышает 2% (10ХСНД, 09Г2С, 16Г2АФ и др.).

Такие стали являются металлургически законченными продуктами, т.е. в них прошли все реакции раскисления, легирования, модифицирования и рафинирования. Основная задача при их сварке сводится к сохранению механических свойств путем защиты сварочной ванны от влияния атмосферы и взаимодействия с флюсом. При выборе флюсов следует руководствоваться установленными предельно низкими значениями коэффициента химической активности флюса в зависимости от эквивалента углерода при сохранении высокого уровня ударной вязкости металла шва в исходном, то есть без термической обработки состоянии (KCU>100Дж/см²).

Из диаграммы следует, что чем больше легирующих элементов содержит свариваемая сталь, тем ниже должна быть химическая активность флюса. Однако при этом ухудшается сварочно-технологические свойства. Более высокие технологические свойства у активных флюсов (Аф=0,6 – 0,3). Они применяются для сварки сталей средней прочности (σ_в≤600 МПа).

Сюда относятся плавленные флюсы на базе CaO-MnO-CaF₂Al₂O₃–SiO₂ следующих марок: ФЦ-11, ФЦ-15, ФЦ-16, ФЦ-22, АН-15, АН-42, АН-43, АН-47, FB-10, FB-20, ФВТ-1, F-202 и F-302. Их температура плавления составляет 1573-1623 К. Применяют и керамические флюсы АНК-47, АНК-44, АНК-30, АНК-57, FC-60, FC-40. Они обеспечивают уровень ударной вязкости до 200 Дж/см² при 293 К и рекомендуются для сварки конструкций, работающих в условиях Крайнего Севера.

Флюсы для сварки среднелегированных сталей.

Среднелегированные стали содержат от 5 до 10% легирующих элементов. К ним относятся стали типа 30ХГСНА, Х5М, 18ХН4МДА, 15ХНМФА, 30Х4НМФА и другие, имеющие наиболее высокие механические свойства _в1800МПа. Поэтому их называют также высокопрочными. Такие стали применяют в специальном судостроении, для изготовления корпусов атомных реакторов и т.п. Как правило, они содержат до 0,30% углерода наряду с другими легирующими элементами. Основные проблемы при сварке высокопрочных сталей – исключить образование горячих и холодных трещин, предотвратить загрязнение серой, фосфором и другими элементами и сохранить их химический состав, а следовательно и свойства.

Применяют флюсы, содержащие в качестве основы CaO+CaF₂, что позволяет:

• понизить уровень водорода в зоне сваривания;

• уменьшить его химическую активность;

• усилить рафинирующее действие (очистить швы от серы и фосфора).

Для сварки сталей рассматриваемой группы рекомендуются малоактивные А=0,3 – 0,1 и пассивные флюсы (Аф≤0,1). К ним относятся флюсы АН-15, АН-15М, АВ-5 и ABSM2 входящие в шлаковую систему СаО-СаF₂Al₂O₃-SiO₂.

Более сложные шлаковые системы имеют флюсы АН-45, АН-17М и ФИМС-20П. Эти флюсы, в частности АН-17М и НФ-18М обеспечивают снижение содержание в шве диффузионного водорода до 3 см³/100 г, что позволяет их использовать для сварки высокопрочных сталей, склонных к закалочно-водородным (холодным трещинам). Флюс НФ-18М применяют для сварки среднелегированных сталей типа 15ХНМФА в атомном машиностроении.

Флюсы для сварки высоколегированных коррозионно-стойких сталей.

Характеристики

Список файлов лекций