Глава 10 и Контрольные вопросы редактированный (1043890), страница 7

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

Текст из файла (страница 7)

Более технологичны электроды с рутиловым покрытием (Р). Однако они ограничены по назначению: пригодны лишь для сварки низколегированных сталей, для которых временное высокое содержание водорода не опасно из-за отсутствия зон с закаленными структурами, где водород усиливает склонность к холодным трещинам.

Важные показатели качества металла сварных швов – содержание газов и неметаллических включений, влияющих на прочностные свойства сварных соединений. В табл. 10.5 представлены данные сравнительной оценки рассмотренных групп электродных покрытий по содержанию в металле газов и шлаковых включений.

Как видно из таблицы, электроды с основным покрытием имеют существенные преимущества по содержанию водорода, а также других газов и включений перед другими группами покрытий. Поэтому электроды этого типа называют низко-водородистыми и они рекомендуются для сварки ответственных конструкций из сталей повышенной прочности (σ_В ≥ 500 МПа), работающих при низких температурах и ударных нагрузках.

Металлургические процессы при сварке электродами сильно зависят от характера переноса электродного металла, что, в свою очередь, зависит от плотности тока на электроде. При малых плотностях тока капли электродного металла крупные, долго находятся на торце электрода и при коротком замыкании между каплей и сварочной ванной переходят в нее лишь частично (40…30% объема капли). Разрыв металлического мостика сопровождается разбрызгиванием. При больших плотностях тока (800…1000 А на 1 мм диаметра электрода) наблюдается мелкокапельный перенос металла и капли пролетают дуговой промежуток с большой скоростью. Это влияет на интенсивность протекания металлургических процессов при сварке.

10.3.7. Особенности легирования металла шва при сварке электродами с покрытием.

Металл шва образуется из основного металла, электродной проволоки и покрытия. Легирование шва осуществляется по нескольким вариантам:

а) легирование путем введения в покрытие электрода порошкообразных металлических добавок или ферросплавов – марганца, кремния, титана и др.; они входят в состав капель, а затем в металл шва.

б) легирование на стадии капли в результате восстановления оксидов, входящих в состав покрытия, легко осуществляемое для малоактивных металлов (никель, медь) и ограниченное для таких элементов, как марганец, кремний и хром;

в) легирование путем предварительного ввода легирующих элементов в состав электродного стержня. Этот способ дает самые стабильные результаты;

г) легирование в результате расплавления основного металла, содержащего необходимые элементы. Это имеет место при сварке высокопрочных и теплоустойчивых сталей.

При определении степени легирования металла шва при сварке электродами следует учитывать потери легирующих элементов, возникающие вследствие испарения, разбрызгивания металла и окислительно-восстановительных реакций со шлаком в зоне сварки.

Для оценки изменения состава металла при сварке пользуются сравнением полученного состава (аналитического) с «исходным». Доли основного (о, площадь Fо) и наплавленного металла (площадь Fc+n) с учетом перехода элементов из стержня (с) и покрытия (n) можно определить по макрошлифу сварного соединения, если известна геометрия подготовки кромок под сварку (рис. 10.21). В отличие от сварки под слоем флюса площадь наплавки Fc+n будет создаваться не только электродным металлом, но и металлом из покрытия:

Fо / Fc+n = о / (c+n) = m. (10.31)

Зная отношение массы расплавленного покрытия к массе расплавленного электродного металла Кn , а также содержание легирующего компонента в покрытии и долю его перехода в сварочную ванну ψ*э , можно записать:

n / c = Кn [x] ψ = n. (10.32)

Так как

о + с + n =1, (10.33)

то, решая совместно уравнения (10.6) … (10.8), получим числительные значения о, с, n. Если обозначить соответственно через [x]о, [x]c и [x]n массовые доли легирующего элемента в основном металле и в покрытии, то «исходная» концентрация:

[x]и = o[x]о + c[x]c + n[x]n. (10.34)

Сопоставляя фактический состав металла шва с «исходным», можно оценить легирование (нижний знак), или выгорание (верхний знак) элемента:

[x]ш – [x]и = ∆[x] ≠ 0 (10.35)

Следует отметить, что расчет по «исходному» составу весьма приблизителен, так как не учитывает потерь легирующих элементов от испарения, окисления, от разбрызгивания, которое при ручной сварке достигает 15…20%.

При выборе новых электродов или при разработке новых видов покрытий пользуются коэффициентами перехода или усвоения, которые учитывают указанные потери и позволяют раздельно оценивать переход того или иного компонента из электродного стержня, покрытия и основного металла.

Коэффициент перехода элемента из стержня учитывает концетрацию данного элемента в сварочной проволоке:

ηс= [x]`ш / [x]c , (10.36)

где ηс – коэффициент перехода элемента из сварочной проволоки; [x]`ш – содержание элемента в шве; [x]c – содержание элемента в сварочной проволоке.

Коэффициент перехода элемента из покрытия (ηп) учитывает относительную массу покрытия Кп :

ηп = [x]ш / ( [x]п ۰Кп ) (10.37)

Аналогично, коэффициент перехода (ηо) учитывает переход данного элемента из основного металла:

ηо = [x]ш /[x]o (10.38)

Общее содержание данного элемента в металле шва:

[x]ш = [x]'ш + [x]ш + [x]ш. (10.39)

соотношение коэффициентов перехода таково:

ηо > ηс > ηп (10.40)

Значение ηп мало потому, что ферросплавы реагируют с покрытием. Суммарный коэффициент перехода η с учетом основного металла (о) и сварочной проволоки (с), а также добавок в покрытие (n)

η = [x]ш / (о۰[x] ш + с۰[x]ш + n۰[x]'ш ۰Кn ) (10.41)

Коэффициент перехода зависит от многих факторов:

- От основности шлака, а также от содержания в нем оксидов основного металла.

- От сродства элемента к кислороду – высокоактивные металлы (Ti, Al) имеют очень малые коэффициенты перехода, а у малоактивных, например Ni, он близко к единице.

- От наличия раскислителя для данного элемента в составе покрытия. Например, при вводе в состав покрытия Al или Ti коэффициенты перехода для Si и Mn существенно возрастают.

- От концентрации элемента в электродном стержне – с увеличением концентрации коэффициент перехода данного элемента сначала возрастает, но при содержании выше квазиравновесного он будет понижаться, а элемент будет, окисляясь, переходить в шлак.

- От относительной массы покрытия Кn. До определенного значения (Кn = 25…30%) коэффициент перехода в металл шва возрастает, а при большем начинает снижаться, так как при большой толщине слоя покрытия реакции при плавлении идут менее интенсивно и ухудшается стабильность сварочного процесса. Это связано с нарушением баланса распределения теплоты дуги на плавление электродного стержня и покрытия.

- От технологии изготовления покрытия (его гранулометрического состава, операций пассивирования, сушки, прокалки).

- От режима сварки – при повышенном напряжении на дуге и длины дуги металл будет подвергаться окислению в большей степени, так как ухудшается надежность защиты сварочной зоны от окружающей атмосферы. Средние значения коэффициентов перехода из электрода в шов даны в табл. 10.7.

10.3.8. Особенности металлургических процессов при сварке порошковой проволокой.

Несмотря на хорошее качество наплавленного металла, ручная дуговая сварка покрытыми электродами с покрытием малопроизводительна, а качество зависит от квалификации сварщика. Попытки механизации сварочного процесса электродами с покрытием 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 СО₂ в смесях с Ar, или без защитного газа (самозащитная порошковая проволока). Они изготавливаются по двум вариантам, вальцовкой и волочением. В первом варианте 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 электропроводимости сердечника. При этом исключается участие связующих, пластификаторов и других технологических добавок, которые, как правило, снижают качество шва. После этого трубку вместе с порошковым материалов дополнительно обжимают волочением, очищают от следов смазки и свертывают в бухты. Поперечные сечения вальцованных и волоченых сварочных проволок приведены на рис. 10.22. При изготовлении порошковой проволоки волочением, имеющих 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 шлаковая и газовая защита зона 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 покрытыми электродами обусловлена самим процессом плавления проволоки в дуговом электрическом разряде. Компоненты порошкового сердечника, с малой электропроводностью получают меньшее количество энергии от дуги, замкнутой на стальную оболочку снаружи, и 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.

По 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 карбрнатно–флюоритного типа, которые содержат газообразующие компоненты CaCO₃ и MgCO₃, а также плавиковый шпат, алюмосиликаты, раскислители. Такие проволоки называют самозащитными (ПП-АН2, ПП-АН6 и др.). Они применяются при сварке в атмосфере и под водой.

В зависимости от марки порошковые проволоки используют для сварки как малоуглеродистых, так и низколегированных и высокопрочных сталей. Они обеспечивают необходимые механически свойства металла шва, причем более высокие, чем при сварке электродами с покрытием. Главное отличие швов – малое содержание неметаллических включений, что обеспечивает высокие показатели ударной вязкости, достаточные для эксплуатации соединений при отрицательных температурах, вплоть до –70°С, что необходимо в частности при сварке в судостроении и при прокладке трубопроводов на крайнем Севере. На рисунке 10.23 приведено сравнение количества неметаллических включений в швах, полученных различными способами сварки. Видно, что наиболее чистый, а следовательно и пластичный металл шва получают как при сварке электродами УОНИ 13-55, так и порошковыми проволоками при сварке в СО₂.

Порошковые проволоки используют также и для наплавочных работ с целью упрочнения поверхностных слоев, обеспечивая высокий уровень механизации.

Контрольные вопросы к главе 10.

1. Как снизить уровень водорода в шве при сварке под флюсом.

2. Почему сера, входящая в состав металла и флюсов, не окисляется при сварке?

3. Что понимают под термином – переходная температура хрупкости?

4. Какой компонент флюса облегчает удаление шлаковой корки?

5. Возможно ли окисление железа при сварке под флюсом, содержащим Al₂O₃ и TiO₂?

6. Почему СО₂ - активный газ – окислитель считают для Fe защитным?

7. Почему инертные газы не образуют поры в швах?

8. Почему основное электродное покрытие считают универсальным?

9. В чем преимущества металла швов полученных порошковыми проволоками? Что такое ферросплавы и как их получают?

10. Когда может происходить науглероживание аустенитных швов?

11. По какому параметру оценивают эффективность шлаковой защиты?

12. В каком процессе сварки максимальны коэффициенты перехода?

13. Когда необходимо катодное распыление?

14. В чем различие между легированием и раскислением при сварке?

Содержание.

Глава 10. Особенности металлургических процессов при различных видах сварки.

Характеристики

Список файлов лекций