Технологические особенности дуговой сварки под флюсом

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Дуговая сварка под флюсом это дуговая сварка при которой дуга горит под слоем сварочного флюса. Процесс отличается от других видов сварки наибольшей производительностью, высоким уровнем механизации сварочных работ и лучшими гигиеническими условиями труда. Экономичность процесса определяется снижением расхода сварочных материалов за счет сокращения потерь металла на угар, разбрызгивание ( не более 3%) и лучшего использования тепла дуги.

Сварку под флюсом применяют для изготовления машиностроительных изделий, крупногабаритных резервуаров, строительных конструкций и труб из сталей, никелевых сплавов, сплавов меди, алюминия, титана и их сплавов.

1. Сущность сварки под флюсом

При этом способе сварки электрическая дуга горит под слоем сварочного флюса между электродной проволокой и свариваемым металлом. Флюс засыпают впереди дуги из бункера слоем толщиной 40…80 и шириной 40…10 мм. Ролики специального механизма подают электродную проволоку в дугу.

Поскольку подвод тока к проволоке через мундштук производится всего в нескольких сантиметрах от ее конца, исключается значительный нагрев этого участка, называемый вылетом электрода, джоулевым теплом, что позволяет применять для сварки под флюсом, в отличие от ручной дуговой, повышенный сварочный ток.

Для корректировки конца электродной проволоки относительно кромок автомат снабжен корректорами, управляемыми вручную или с помощью автоматических устройств.

По системе регулирования устойчивости горения дуги, которые отличаются способом подачи электродной проволоки, различают автоматы:

а) с принудительной системой регулирования устойчивости горения дуги, у которых неизменная длина дуги в процессе сварки при ее отклонениях от заданных значений, вызванных воздействием возмущающих факторов, поддерживается изменением скорости подачи электрод ной проволоки;

б) с саморегулированием устойчивости горения дуги, у которых скорость подачи электродной проволоки в процессе сварки постоянна, а длина дуги поддерживается неизменной (несмотря на отклонения от заданных значений, вызванные воздействием возмущающих факторов) за счет изменения скорости плавления электродной проволоки.

Сварочная дуга горит в газовом пузыре, образованном в результате плавления флюса и металла и заполненном парами металла, флюса и газами.

Перенос электродного металла осуществляется каплями, размер который уменьшается с ростом тока и увеличивается с повышением напряжения, и мало влияет на потери на угар и разбрызгивание. Жидкая пленка флюса изолирует от воздуха зону сварки, а затвердевший флюс образует на поверхности шва шлаковую корку, которая затем отделяется от поверхности шва. Масса флюса, идущего на шлаковую корку, обычно равна массе расплавленной сварочной проволоки.

Роль флюса при сварке.

Флюс -- это сыпучий, зернистый, т. е. гранулированный материал, с величиной зерен (гранул) 1...2 мм. Основное назначение флюса при сварке -- образование при плавлении шлаков с требуемыми физико-химическими свойствами, защищающих зону сварки от окружающей среды и обеспечивающих металлургическую обработку расплавленного металла.

Шлаками называются расплавы минерального характера, состоящие из окислов как свободных, так и образующих комплексные соединения , а также галоидов, сульфидов и др. Свойства шлаков и характер воздействия на металл определяется их химическим составом.

К важнейшим функциям шлака, имеющим значение при всех видах сварки плавлением, относятся:

· обеспечение устойчивости процесса сварки;

· хорошее формирование шва;

· защита зоны сварки от доступа воздуха;

· предупреждение образования в швах дефектов;

· управление химическим составом металла шва;

· обеспечение требуемых механических свойств металла шва и сварного соединения в целом;

· обеспечение легкой отделимости шлаковой корки с поверхности металла.

Шлак должен также обладать хорошими санитарно-гигиеническими свойствами, в процессе сварки выделение вредных веществ должно быть минимальным. Кроме этих общих функций имеются и функции, специфические для каждого вида сварки.

Устойчивость процесса электродуговой сварки в первую очередь зависит от устойчивости (стабильности) горения дуги, т. е. постоянства во времени основных электрических параметров дуги -- напряжения и силы тока. Сварочная дуга один из видов электрического разряда в газах, а поэтому устойчивость ее горения, при прочих равных условиях, определяется составом атмосферы дуги. При нагреве теплом дуги шлак выделяет газы и пары, изменяя этим состав атмосферы дуги. Наличие в шлаке оксидов щелочных и щелочноземельных металлов (в отличие от фторидов и хлоридов) повышает устойчивость горения дуги и процесса сварки.

Формирование шва зависит, прежде всего, от режима сварки, т. е. от длины дуги, ее подвижности и т. п. Так, при сварке под флюсом длина дуги и ее подвижность зависят от размеров зерен флюса. При крупном флюсе дуга более подвижна и ширина шва больше, чем при сварке под мелким флюсом. Соответственно этому глубина провара больше при сварке под мелким флюсом, чем под крупным.

Внешний вид шва в значительной мере определяется равномерностью отложения металла, зависящей от состояния сварочной ванны. «Кипение» металла сварочной ванны вследствие выгорания углерода и выделения растворенных в металле газов может значительно ухудшить внешний вид шва. Введение в сварочную ванну раскислителей «успокаивает» ее и способствует образованию швов с более мелкими чешуйками на поверхности. Если шлак имеет чрезмерно высокую вязкость при температуре твердения металла, шов формируется хаотично, воспроизводя форму затвердевшей шлаковой корки .

При сварке под флюсом обеспечивается надежная защита зоны сварки от доступа воздуха. Однако при других способах дуговой сварки для такой защиты от внешней атмосферы требуется, чтобы шлак полностью покрывал поверхность металла сварочной ванны. Для этого нужно, чтобы межфазное натяжение на границе шлак-- металл было минимальным, а изменение вязкости шлака с ростом температуры было плавным. Как правило, более надежную защиту металла сварочной ванны от доступа воздуха, а также лучшее качество формирования поверхности шва дают «длинные» шлаки с постепенным снижением их вязкости при затвердевании. Худшие результаты получаются при «коротких» шлаках, характеризующихся резким изменением вязкости при затвердевании. Необходимо также, чтобы температура затвердевания шлака была ниже температуры затвердевания металла.

Химический состав металла шва определяется взаимодействием между жидким шлаком и металлом. Длительность этого взаимодействия обычно очень невелика и при дуговой сварке может колебаться от нескольких секунд до 1 минуты. Взаимодействие прекращается после затвердевания металла и шлака. Несмотря на кратковременность реакции, взаимодействие между шлаком и металлом при дуговой сварке, как правило, проходит очень энергично, что обусловлено высокими температурами расплавленных металла и шлака, значительными поверхностями их контакта и относительно большим количеством шлака (в среднем 30...40% массы металла). Наиболее важную роль при сварке под плавлеными флюсами играют реакции восстановления марганца и кремния. Переход марганца в шов тем значительнее, чем больше и меньше содержится в сварочном флюсе (шлаке). Чем более кислый флюс, тем переход марганца меньше. Переход кремния из сварочного шлака в металл пропорционален концентрации в шлаке и обычно не велик (0,1…0,2%). Увеличение основности флюса снижает переход кремния из шлака в металл.

К числу наиболее опасных дефектов сварных швов относятся поры и кристаллизационные трещины. Основными причинами возникновения пор в швах могут являться загрязнение основного металла и сварочной проволоки ржавчиной и маслом, влажный флюс и др. Роль шлака в предупреждении появления пор заключается:

· в защите металла сварочной ванны от доступа воздуха;

· выделении в атмосферу дуги газов и паров, снижающих Концентрацию в ней водорода и азота путем разбавления газовой фазы;

· выделении в атмосферу дуги газообразных соединений фтора, образующих с водородом нерастворимый в жидкой стали фторид водорода;

· окислении металла сварочной ванны.

О роли шлака в защите сварочной ванны от доступа воздуха сказано выше.

Интенсивность испарения шлака в процессе сварки сравнительно невелика, поэтому она не может дать существенного снижения парциального давления азота и водорода в зоне сварки. Более эффективно действует введение газообразующих веществ в состав электродного покрытия, керамического флюса или сердечника порошковой проволоки.

Для уменьшения пористости швов, вызванной водородом, в зону сварки вводятся фториды. Лучше всего связывается водород в виде фторида водорода фторидом кремния -- газом, образующимся при сварке в результате взаимодействия фторида кальция и диоксида кремния

Окисление металла сварочной ванны шлаком или газовой фазой снижает растворение в нем водорода, уменьшая этим возможность появления пор в швах.

Для получения беспористых (плотных) швов на кипящей и, «полууспокоенной» стали важное значение имеют кремнийвосстановительный процесс и поступление кремния в металл сварочной ванны из других источников.

Стойкость швов против образования кристаллизационных трещин зависит от химического состава металла шва. Влияя на содержание в металле шва углерода, серы, марганца, кремния и других элементов, шлак тем самым изменяет стойкость швов против образования кристаллизационных трещин: уменьшение концентрации углерода, серы и кремния в шве, а также увеличение марганца повышают эту стойкость. Изменения химического состава могут обусловливаться как окисляющим или легирующим действием шлака на металл сварочной ванны, так и его влиянием на отношение в металле шва долей переплавленных основного и электродного металлов.

Требуемые механические свойства металла шва и сварного соединения в целом обеспечиваются путем получения швов нужного химического состава и без дефектов. На механические свойства металла шва существенно влияет наличие фосфора, который при сварке восстанавливается из шлака и переходит в металл. Поскольку фосфор -- вредная примесь, для уменьшения его перехода в металл необходимо максимально снижать содержание фосфора в шлаке.

При сварке высокопрочных легированных сталей под кислыми флюсами ОСЦ45 и АН348 наблюдается более высокая чувствительность к горячим и холодным трещинам, чем при сварке покрытыми электродами или в защитных газах. Для увеличения сопротивляемости сварных швов к горячим трещинам, повышения пластичности и ударной вязкости металла шва используют основные флюсы, такие как АН26, АН20, 48ОФ10, обеспечивающие более высокую чистоту металла шва по сере и окисным включениям.

Отделимость шлаковой корки от поверхности шва зависит от окисляющего действия на нее жидкого шлака. Длительность этого действия очень невелика и составляет для обычных режимов автоматической дуговой сварки 20--30 с. Жидкий шлак, если он содержит значительные количества оксидов , , или , окисляет поверхность затвердевшего металла. Образующаяся при этом весьма тонкая оксидная пленка прочно удерживается на поверхности шва. Если поверхность металла окислена, а в составе шлака находятся соединения, прочно сцепляющиеся с оксидной пленкой ( и др.), следует ожидать сильного удерживания шлака на поверхности металла. Выполнение требований как в отношении легкой отделимости шлака, так и минимального окисления легирующих элементов обеспечивается применением шлаков с низким содержанием оксидов , , и , т.е. с пониженными окислительными свойствами. Отделимость шлаковой корки от поверхности шва улучшается также при увеличении разности коэффициентов термического расширения металла и шлака.

Высокое качество достигается за счет надежной защиты расплавленного металла от взаимодействия с воздухом, его металлургической обработки и легирования расплавленным шлаком. Наличие шлака на поверхности шва уменьшает скорость кристаллизации металла сварочной ванны и скорость охлаждения сварного соединения. В результате металл шва не имеет пор, содержит пониженное количество неметаллических включений. Улучшение формы шва и стабильности его размеров, особенно глубины проплавления, обеспечивает постоянство химического состава и других свойств по всей длине шва.

2. Химические свойства шлаков

Шлаки представляют собой расплав различных оксидов и солей, который имеет пониженный по сравнению с жидким металлом удельный вес и поэтому скапливается на поверхности сварочной ванны. Сварочные шлаки в процессе электродуговой сварки выполняют следующие технологические функции:

· защищают жидкий металл от непосредственного кон такта с воздухом;

· способствуют в той или иной степени раскислению, легированию и рафинированию металла;

· улучшают тепловой режим сварки за счет снижения скорости охлаждения металла;

· поддерживают устойчивость процесса сварки;

· обеспечивают правильное формирование шва.

Выполнение всех этих функций требует определенных свойств сварочных шлаков. Химические свойства шлака в основном определяются степенью кислотности или величиной обратной ей -- степенью основности шлака. Степенью кислотности п шлака называют отношение сумм молекулярных процентов кислотных оксидов (образующих при соединении с водой кислоты) и основных оксидов (при соединении с водой образующих основания), содержащихся в нем:

Кислотные оксиды сварочных шлаков -- и др.; основные -- и др. Кроме этих оксидов, в шлаках могут присутствовать и амфотерные оксиды, проявляющие себя с сильными кислотами как основные оксиды, а с сильными основаниями -- как кислотные. К таким оксидам относятся и др.

Если степень кислотности шлака больше единицы, он считается кислым, если меньше единицы -- основным. Основу кислых сварочных шлаков составляют расплавы а основных

3. Физические свойства шлаков

Химические свойства сварочных шлаков нельзя рас сматривать в отрыве от их физических свойств, которые, в частности, характеризуются:

· тепловыми константами -- температурой плавления и размягчения, теплоемкостью, скрытой теплотой плавления и теплосодержанием шлака;

· вязкостью в жидком состоянии и ее изменением с температурой;

· газопроницаемостью;

· плотностью в жидком состоянии;

· свойствами, определяющими отделяемость шлака от металла шва в твердом состоянии.

Точной температуры плавления шлаки не имеют. Для шлаков характерно наличие некоторого температурного интервала от начала размягчения шлака до его перехода в жидкое состояние, т. е. полного плавления. Если этот интервал широкий, то шлаки называют «длинными», а если узкий -- то «короткими». Интервал плавления кислых шлаков обычно шире, чем основных. Важной характеристикой является вязкость шлаков, от которой зависит их газопроницаемость, т. е. способность пропускать выделяющиеся из металла газы. Если у шлака низкая газопроницаемость, то шов может получиться пористым, а на поверхности шва возможно образование мелких вмятин, штриховатости, побитости.

Значительно уменьшает вязкость шлаков, особенно ос новных, фтористый кальций (. Уменьшают вязкость и такие оксиды, как , а также хлориды. Вследствие этого при сварке пред почтительны маловязкие, легкоподвижные, быстро затвердевающие шлаки. Таким характеристикам больше всего удовлетворяют короткие основные шлаки.

Так же в металлургии и при сварке наибольший интерес представляют газопроницаемость и растворимость в шлаках водорода и азота. Газопроницаемость шлака - это одна из причин появления газа в металле, в том числе и металле сварочной ванны. Сварочные шлаки проницаемы и для кислорода. Собственно газопроницаемость шлака определяется двумя свойствами: растворимостью и коэффициентом диффузии газа в шлаке. Кроме того, в реальных условиях на процесс растворимости газа в шлаках влияет передача газа конвекцией и исходное содержание газов в шлаке. Передача газов в металл через шлак преимущественно наблюдается при электрошлаковых процессах, когда нет непосредственного контакта расплавленного металла с газовой фазой. Газопроницаемости шлаков для водорода, азота и кислорода существенно различаются между собой [4].

После затвердевания шлаки должны легко удаляться с поверхности шва. Это их свойство зависит от ряда при чин, в том числе от окислительной способности шлака, повышение которой резко ухудшает отделяемость шлаковой корки от поверхности шва, и температурного коэффициента расширения. Для отделения шлака от поверхности шва очень важно, чтобы температурные коэффициенты расширения его и свариваемого металла различались как можно больше.

4. Функции шлаков при сварке

Одной из важнейших функций сварочных шлаков при электродуговой сварке, которые образуются при расплавлении шлакообразующих компонентов флюсов или электродных покрытий, является металлургическая обработка металла шва: его раскисление (удаление кислорода), легирование (введение в металл полезных элементов), модифицирование (измельчение зерна) и рафинирование (удаление вредных примесей).

Раскисление металла. Поскольку при дуговой сварке практически всегда образуются и растворяются оксиды, ухудшающие свойства металла шва, для получения качественных сварных соединений металл в сварочной ванне раскисляют (восстанавливают). Для этого в расплавленный металл вводят специальные элементы (раскислители), которые обладают повышенным сродством к кислороду и в определенных условиях способны энергично связывать кислород, освобождая металл из оксида.

Так, для раскисления сталей, при сварке которых про исходит окисление железа с образованием растворимого в металле оксида FeO, в расплавленный металл вводятся раскислители Si и Mn (иногда еще Ti и Al) которые вступают в реакцию с FeO:

Где раскислители, которые образуют оксиды, нерастворимые в металле и всплывающие в шлак.

Основные шлаки обеспечивают лучшее раскисление металла, чем кислые шлаки.

Легирование. При сварке расплавленный металл теряет некоторые полезные примеси не только в результате окисления, но и вследствие прямого испарения. Для их компенсации, а также для введения в наплавленный металл специальных добавок различных элементов с целью повышения качества металла шва при сварке осуществляют и еще одну металлургическую операцию -- легирование. Легирование обогащает металл сварного шва специальными элементами, придающими ему особые свойства.

Легирование металла шва проводится как через металлическую, так и через шлаковую фазу. Через металлическую фазу легирование осуществляется введением легирующих элементов в электродный стержень или присадочную проволоку, а также за счет проплавления легированного основного металла и перехода соответствующих элементов в сварочную ванну. Легирование через шлаковую фазу выполняется введением легирующих элементов в электродное покрытие или флюсы. Первый путь легирования (через металлическую фазу) -- более действенный, так как потери легирующих элементов незначительны и коэффициенты перехода их в металл шва достаточно высоки.

Модифицирование металла шва. Для улучшения структуры первичной кристаллизации, ее измельчения и упорядочения в металл шва вводят небольшие количества специальных добавок -- модификаторов. Элементы, используемые в качестве модификаторов, отличаются от основного металла более высокой температурой плавления. При охлаждении сварочной ванны модификаторы кристаллизуются раньше основного металла и служат искусственными центрами кристаллизации. При сварке в качестве модификаторов наиболее часто используют Nb, Ti, Zr и V. Рафинирование -- это технологическая операция очистки расплавленного металла сварочной ванны от вредных примесей: серы и фосфора, которые попадают в него из шлаков, содержащих серные и фосфорные компоненты, и из расплавленного свариваемого металла. В практике сварки серу и фосфор удаляют путем введения в сварочную ванну компонентов, образующих с ними нерастворимые в расплавленном металле соединения и всплывающие в шлак. Для удаления серы в сварочную ванну чаще всего вводят Мn и МnО, а также СаО (негашеную известь). Сера об разует с марганцем и кальцием относительно прочные сульфиды MnS и CaS (почти нерастворимые в жидком металле) в основном при следующих реакциях:

Удаление фосфора из сварочной ванны основано на его окислении и последующем связывании фосфорного ангидрида в прочное комплексное соединение, не растворимое в расплавленном металле. Для этого в сварочную ванну чаще всего вводят СаО и MnO.

Вначале в сварочной ванне происходит окисление фосфора, находящегося в ней в виде фосфидов и , по реакциям:

Затем фосфорный ангидрид связывается в комплексные соединения в результате реакций:

Рафинирование металла сварочной ванны при электродуговой сварке, несмотря на кратковременное взаимодействие металла и шлака, позволяет получать металл шва с меньшим содержанием серы и фосфора, чем в основном металле.

Заключение

сварочный флюс беспористый шлак

Из всего вышесказанного можно сделать вывод о том, что роль шлака в процессе сварки просто огромна. С его помощью можно управлять большой долей факторов и процессов происходящих в зоне сварки для обеспечения качественного сварного соединения.

К настоящему времени о сварочных шлаках накопился огромный объем информации, рассеянной в обзорах, монографиях и периодических изданиях. Эта информация не всегда доступна даже специалистам и требует обобщения.

Литература

1) Чернышов Г.Г. Оборудование и основы технологии сварки металлов плавлением и давлением: учеб. пособие / под ред. Г.Г. Чернышова, Д.М. Шашина. - Санкт-Петербург : Лань, 2013. - 461с.

2) Козловский С.Н. Введение в сварочные технологии: учеб. пособие / С.Н. Козловский. - СПб. : Лань, 2011. - 415 с. - ISBN 978-5-8114-1159-7.

3) Смирнов И.В. Сварка специальных сталей и сплавов: учеб. пособие / И.В. Смирнов. - 2-е изд., испр. и доп. - СПб.: Лань, 2012. - 265с.

4) Подгаецкий В.В. Сварочные шлаки: справ. пособие / В.В. Подгаецкий, В.Г. Кузьменко. - Киев : Наук. думка, 1988. - 255с.

Размещено на Allbest.ru