26-03-2020-ТСП часть 1 (1278565), страница 7
Текст из файла (страница 7)
10.3.5.3. Сварка электродами с основным покрытием (Б).
В электродном покрытии 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 осуществляют 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 нерастворимое в металле соединение HF. Покрытиесодержит 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. Наличие в шлаке СаО хорошо рафинирует металл, что снижает склонность к образованию горячих и холодных трещин.
При сварке корозионностойких и жаростойких сталей применяю тот же тип покрытия, но с пониженным содержанием СаСО3 (15…20%), увеличивая СаF2 (60…80%). В этом случае удается избежать науглероживания сварочной ванны и обеспечить содержание углерода в металле шва на уровне (0,05…0,02%) С, как это требуется по техническим условиям.
Недостаток этих электродов – малая устойчивость дугового разряда, что ограничивает выполнение сварки лишь на постоянном токе обратной полярности. Таким образом, технологические возможности электродов группы Б, несколько ниже, чем электродов группы А и Р. Кроме того повышенное содержание CaF2 вызывает образование токсичных соединений и требует создания надежной вентиляции рабочей зоны.
10.3.5.4. Сварка электродами с целлюлозным покрытием (Ц).
Покрытие Ц содержит в своем составе до 50% органических веществ (пищевая 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 появления 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: Кп= 20%. Технологические свойства электродов типа 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 высокий уровень водорода (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. 10.8). В таком металле, не склонном к закалке, водород не опасен, так как в процессе вылеживания выходит из металла.
10.3.6. Сравнительные характеристики защитных свойств покрытий.
Из сравнения количества H2, N2, O2 в наплавленном металле следует (табл. 10.6), что главным критерием качества газовой защиты путем оттеснения воздуха является количество азота в шве, содержание которого для всех электродов практически одинаково: в 5 раз больше, чем в соответствующем электродном стержне.
Наибольшие различия защитных свойств покрытий по уровню водорода в шве. Так в покрытии Б из-за протекания реакции Н2О с CaF2 и SiO2 выделяются фтор и SiF4, которые связывают водород в нерастворимое соединение HF(гл.9, пример 6). Благодаря этому химическому процессу содержание водорода в 7 – 9 раз меньше в наплавках по сравнению с другими электродами.
Еще одно преимущество покрытия Б – малое количество окислителей, что позволяет получать чистый по шлаковым включениям металл шва, обладающий высокой ударной вязкостью и хладостойкостью (Рис. 10.21 и 10.22). Это позволяет применять покрытие «Б» для сварки всех высоколегированных сталей, содержащих хром, титан и другие активно окисляющиеся элементы.
К недостаткам этого покрытия следует отнести науглероживание шва при сварке коррозионно–стойких сталей, в которых углерод рассматривают как вредную примесь. Его содержание снижают до предела растворимости (0,02…0,03 %). Другим недостатком покрытия Б является чувствительность к влаге, ржавчине, вызывающей поры, а также непригодность к сварке переменным током из-за деионизирующего влияния фтора, образующего отрицательно заряженный ион. Он связывает положительно заряженные ионы в нейтральные молекулы, не способные переносить электрические заряды в дуге.
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. 10.6 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 рекомендуются для сварки ответственных конструкций из сталей повышенной прочности (σВ ≥ 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 расчетным. 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) = М. (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 , можно записать:
n / c = Кn [x] ψ = n. (10.32)
Так как
о + с + n =1, (10.33)
то, решая совместно уравнения (10.31) … (10.33), получим численные значения о, с, n. Если обозначить соответственно через [x]о, [x]c и [x]n массовые доли легирующего элемента в основном металле, стержне и в покрытии, то «расчетная» концентрация:
[x]р = o[x]о + c[x]c + n[x]n. (10.34)
Сопоставляя фактический состав металла шва с расчетным, можно оценить легирование (∆x >0), или выгорание (∆x < 0) элемента:
[x]ш – [x]и = ∆[x] ≠ 0 (10.35)
Следует отметить, что расчет по расчетному 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.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
