Сварка порошковой проволокой

Изменяя условия сварки, можно изменять соотношение действующих на каплю сил, а следовательно, и перенос металла. На размер капель значительное влияние оказывает сила тока. С ростом тока размер капель уменьшается. Это явление наблюдается при сварке под флюсом [3, 80, 99], покрытыми электродами [20, 91], в углекислом газе [411, в одноатомных инертных газах [39, 85].

При достижении определенных «критических» плотностей тока в случае сварки в аргоне и гелии начинается струйный перенос металла. В работе [37] такое изменение характера переноса металла объясняется изменением соотношения диаметров столба дуги и электрода, вызывающего изменение направления электромагнитной силы. Влияние сварочного тока на размеры капель связывают также с силой поверхностного натяжения. С ростом тока повышается температура капель, снижается поверхностное натяжение, уменьшаются размеры капель.

Размер капель металла существенно зависит от диаметра электрода [39, 91]. При уменьшении диаметра электрода уменьшается площадь контакта капли с электродом, следовательно, уменьшается сила поверхностного натяжения. Это способствует мелкокапельному переносу. Значение «критического» тока, при котором электромагнитная сила начинает способствовать отрыву капель, также снижается.

Большое влияние на характер переноса металла и размеры капель оказывает состав защитной атмосферы. При сварке в гелии капли электродного металла более крупные, чем в аргоне. Особенно это заметно на прямой полярности 1101]. Добавка к аргону и гелию азота способствует укрупнению капли, повышению критического тока [39, 101]. Добавка кислорода, напротив, вызывает уменьшение «критического» тока и размера капель [85], что связано с различным влиянием этих газов на температуру капель, поверхностное натяжение и характеристики столба дуги.

При сварке в углекислом газе критический ток, по данным В.И. Дятлова [37], возникает при высоких плотностях и находится за пределами практически применяемых режимов сварки.

Плавление и перенос металла при сварке порошковой проволокой имеют специфические особенности. Основные закономерности этих процессов изложены ниже.

Особенности плавления порошковой проволоки. Характеристики дуги при сварке порошковой проволокой существенно зависят от состава сердечника. Последний, как указывалось выше, обладает низкой по сравнению с металлической оболочкой электропроводностью. По этой причине активное пятно дуги занимает не все сечение проволоки, а находится на оболочке или капле расплавленного металла. Оно, так же как и столб дуги, хаотично, с изменяющейся скоростью перемещается вокруг сердечника. Сердечник плавится за счет излучения дуги и конвективного теплообмена с расплавленным металлом и разогретыми газами. В связи с этим при сварке порошковой проволокой плавление оболочки несколько опережает плавление сердечника) (см. рис. 1). На рис. 27 приведена кинограмма, иллюстрирующая процесс образования, роста и отрыва одной капли при сварке порошковой проволокой трубчатой конструкции с рутил-органическим сердечником.

Рис. 27. Кинограмма процесса плавления порошковой проволоки с рутил-органическим сердечником.

Отставание процесса плавления сердечника от плавления оболочки нежелательное явление и вызывает ухудшение показателей сварки и снижение эффективности защиты металла от воздуха. Замедленное плавление сердечника затрудняет сварку короткой дугой, кроме того, частицы нерасплавившегося сердечника, попадая в сварочную ванну,, засоряют металл шва шлаковыми включениями.

На соотношение скорости плавления оболочки и сердечника существенное влияние оказывают режим сварки (сила тока и напряжение дуги), конструкция проволоки и ее состав.

Влияние режима сварки на плавление порошковой проволоки иллюстрируется рис. 28. На малом токе и напряжении дуги выступающая часть сердечника имеет форму, близкую к цилиндрической, длиной не более 2-3 мм. При увеличениии тока ее длина увеличивается и может достигать 4-6 мм. С ростом напряжения отставание плавления сердечника также увеличивается, но под воздействием тепла столба дуги его выступающая часть приобретает коническую форму.

Значительное влияние на характер плавления порошковой проволоки оказывает содержание металлических порошков в сердечнике. Чем больше содержится в сердечнике металлических порошков, тем меньше длина неоплавившейся части сердечника На рис. 29 показаны концы двух порошковых проволок, отличающихся одна от другой содержанием железного порошка в сердечнике. Однако увеличение доли железного порошка и соответственное уменьшение количества неметаллических составляющих в сердечнике проволоки приводит к снижению эффективности защиты расплавленного металла. Поэтому при разработке композиции сердечника количество защитных неметаллических материалов в нем устанавливают из условия обеспечения надежной защиты металла от воздуха и благоприятного соотношения скоростей плавления оболочки и сердечника.

Рис. 28. Плавление порошковой проволоки при малом токе и низком напряжении дуги (а), большом токе (б) и высоком напряжении дуги (в).

Рис. 29. Влияние количества металлических частиц в сердечнике на плавление порошковой проволоки: слева - проволока без железного порошка; справа -- проволока с сердечником, содержащим 60% порошка.

О влиянии состава газошлакообразующей части сердечника проволоки на характер плавления говорят наблюдения за процессом сварки порошковыми проволоками, содержащими в сердечнике карбонаты кальция и натрия (мрамор и кальцинированную соду) или их смесь (при одинаковом суммарном количестве карбонатов в проволоке). Выход углекислого г-аза при полной диссоциации мрамора, согласно данным термогравиметрического анализа, составляет 41,1%, а при разложении кальцинированной соды -- 40,6%, т. е. общее количество выделившегося при плавлении проволоки углекислого газа примерно одинаково.

Из сравнения кинокадров (рис. 30), иллюстрирующих плавление двух проволок, содержащих в одном случае мрамор, а в другом -- мрамор и соду, видно, что более благоприятным плавлением обладает проволока, содержащая смесь карбонатов. Объяснение этим явлениям можно найти, если обратиться к процессам, происходящим при нагревании смесей порошков, содержащих карбонаты. В параграфе 2 было показано, что в смесях, содержащих один из карбонатов (мрамор или соду), выделение углекислого газа происходит в сравнительно узком диапазоне температур. Наличие соды в смеси приводит к раннему образованию шлакового расплава. В смеси порошков мрамора и соды выделение углекислого газа равномерно в широком диапазоне температур и также сопровождается ранним образованием расплава.

Рис. 30. Влияние состава газошлакообразующей части проволоки на характер плавления сердечника при содержании в проволоке: слева -- 5% мрамора; справа -- 3% мрамора и 2% кальцинированной соды.

Равномерное плавление сердечника и оболочки достигается также применением легкоплавких шлаковых систем эвтектического состава или введением плавней, например фтористого кальция.

В состав проволок, применяющихся для сварки в углекислом газе, нет необходимости вводить газообразующие материалы, поскольку надежная защита расплавленного металла обеспечивается защитным газом. Отсутствие в проволоке карбонатов и других газообразующих материалов упрощает задачу создания композиции сердечника, обеспечивающего благоприятное плавление, перенос металла и минимальное его разбрызгивание.

В некоторых случаях при создании самозащитных проволок не удается изменением состава сердечника получить равномерное плавление с сохранением хороших защитных свойств.

Для получения благоприятного плавления проволоки необходимо улучшить условия подвода тепла к частицам порошкообразного сердечника, уменьшить толщину слоя материала с низкой теплопроводностью. Наиболее полно удовлетворяет этим условиям двухслойная конструкция проволоки (см. рис. 4, з). В проволоке такой конструкции для достижения равномерного плавления сердечника и оболочки слои сердечника разделены между собой двумя слоями ленты, представляющей собой одно целое с оболочкой проволоки. Благодаря такому выполнению проволоки имеется возможность ввести внутрь оболочки большое количество металлической составляющей, а возможность размещения двух различных шихт в сформированных полостях облегчает создание надежной защиты металла от атмосферы воздуха.

Компоновка сердечника проволоки двухслойной конструкции также влияет на характер плавления и переноса металла. Расположение всех металлических порошков сердечника проволоки во внутренней полости таково, что капля формируется преимущественно в центральной части сечения проволоки (рис. 31). Выделение газов из этой части невелико, поэтому создаются условия, приближающие проволоку к покрытому электроду, когда втулка покрытия создает защитный барьер для оплавляющегося в центре металла.



Рис. 31. Плавление порошковой проволоки двухслойной конструкции.

Все рассмотренные пути улучшения характера плавления порошковой проволоки в большей или меньшей степени использованы при разработке промышленных марок порошковой проволоки.

Перенос электродного металла при сварке порошковой проволокой. Оценку характеристики переноса металла при сварке порошковой проволокой производят обычно по следующим основным показателям: частота обрыва капель п; время между переходами капель t; m -- масса отрывающейся капли, определяемая по формуле

(20)

где и_п. _э-- скорость подачи проволоки; т_пр-- масса металлической части единицы длины проволоки; t_K -- усредненное время взаимодействия капли на торце электрода:

(21)

где т₀ -- масса жидкого металла, остающегося на торце проволоки после отрыва капли.

Выражение показывает, в течение какого промежутка времени произойдет обновление металла, остающегося на электроде, а выражение ф представляет усредненное время существования переходящей капли с массой т.

Полное время взаимодействия капли т_вз определяется суммой

(22)

где ф_п -- время перелета капли через дуговой промежуток.

Параметры переноса металла изменяются в значительных пределах в зависимости от режима сварки, состава сердечника и других факторов.

Ниже приведены некоторые экспериментальные данные по переносу металла, полученные при сварке самозащитными порошковыми проволоками рутил-органического и карбонатно-флюоритного типов.

Влияние режима сварки на массу капель при расплавлении проволоки с рутил-органическим сердечником иллюстрируется данными, приведенными в табл. 3. Масса капель условно разделена на три группы: мелкие -- до 50 мг; средние--от 50 до 150 мг; крупные -- свыше 150 мг. Доля каждой группы выражена в процентах. При малом токе основную долю составляют крупные капли. С увеличением тока увеличивается доля капель средних размеров за счет уменьшения крупных. Количество мелких капель изменяется незначительно. При малом напряжении основную долю переходящих капель составляют капли массой 50-150 мг. При увеличении напряжения масса капель уменьшается.

Таблица 3

	Сила тока,	а*	Напряжение, в**
Масса капель,мг	150	250	320	25	27	29
До 50	31,5	38,3	37,9	29,3	37,9	77,0
50--150	28,0	43,0	48,1	52,0	48,1	23,0
Свыше 150	40,5	18,7	14,0	18,7	14,0	-

*U_д=26ч27 в. **/_св=300 а.

Влияние сварочного тока на показатели переноса -- частоту отрыва капель п, среднее время между переходами капель т_ср, среднюю массу отрывающихся капель т_ср-- приведено на рис. 32 (эти данные и все последующие представляют средние значения из 3-5 опытов). С ростом тока в интервале 180-460 а наблюдается уменьшение времени между переходами и увеличение частоты переходов. Средняя масса капель уменьшается незначительно.

Рис 32 Влияние силы тока на среднее время между переходами частоту отрыва капель (а) и среднюю массу переходящих капель (б).

Влияние напряжения дуги на процесс плавления и перенос металла при сварке проволокой с рутил-органическим сердечником весьма значительно. На рис. 33 приведены зависимости параметров переноса от напряжения дуги. С ростом напряжения уменьшается t_cp, возрастает п. Масса отрывающихся капель также уменьшается.

Характер переноса металла зависит также от плотности тока. Показатели переноса, полученные при сварке проволокой диаметрами 2,0; 2,5 и 2,8 мм с рутил-органическим сердечником, показаны на рис. 34. При постоянной силе тока (250 а) с ростом плотности тока размеры капель уменьшаются. Это связано прежде всего с увеличением температуры капель. Действительно, при сварке проволокой диаметром 2,8 мм температура капель в среднем равна 2100° С, при сварке проволокой диаметром 2,0 мм при той же силе тока она составляет 2600° С (см. параграф 4).

Рис. 33. Влияние напряжения дуги на среднее время между переходами, частоту отрыва капель (а) и среднюю массу переходящих капель (б).

Рис 34. Влияние плотности тока и диаметра проволоки на среднее время между переходами, частоту отрыва капель (а) и среднюю массу переходящих капель (б).

Отрыву капель при уменьшении диаметра проволоки может в какой-то мере способствовать уменьшение поверхности контакта капли с оболочкой и сердечником проволоки.

Проволока двухслойной конструкции, в которой все металлические порошки расположены во внутренней полости, характери зуется переносом более крупных (по сравнению с трубчатой конструкцией) капель, поскольку капля формируется, как это отмечалось выше, в центральной части сердечника и площадь контакта жидкой капли с проволокой больше.

Кривые, приведенные на рис. 35, показывают влияние вылета h на перенос металла при сварке проволокой с рутил-органическим сердечником. Температура нагрева оболочки проволоки при вылете 50 мм и режиме сварки /_св= 300 а, vп.э = 140 м!ч достигает 300--400° С. Нагрев до такой температуры органических газообразующих составляющих (крахмала, целлюлозы) приводит к диссоциации их еще до попадания в зону плавления. Защита металла ухудшается, содержание кислорода и азота в металле шва повышается (рис. 36), размеры капель уменьшаются.

Рис. 35. Влияние вылета на среднее время между переходами, частоту отрыва капель (а) и среднюю массу переходящих капель (б).

Рис. 36. Влияние вылета на содержание азота (квадратики) и кислорода (треугольники) в металле капель.

Таблица 4

Кол-во крахмала в проволоке, %	Содержание кислорода в металле, %	Режим сварки	Показатели переноса
		Iсв,а	Uд,в	п,1/сек	ф ср мсек	mср, мг
0	0,138	240	23	10,6	94	65
0,5	0,115	230	24	17,4	136	94
1,0	0,076	195	26	5,3	190	130
2,0	0,053	195	26	3,8	265	182
3,0	0,069	170	27	6,7	150	102

При сварке проволокой карбонатно-флюоритного типа увеличение вылета не оказывает существенного влияния на перенос металла, поскольку нагрев проволоки на вылете в меньшей степени сказывается на ее защитных свойствах (диссоциация газообразующих материалов -- мрамора, соды, магнезита - происходит при более высокой температуре). Насвязь окислительного потенциала проволоки и размеров капель указывают также данные, приведенные в табл. 4. Проволока, не содержащая крах-мала, характеризуется мелкока-пельным переносом, а наплав-ленный металл--повышенным содержанием кислорода. Введение в проволоку крахмала способствует укрупнению капель, содержание кислорода в металле, благодаря улучшению газовой защиты уменьшается. Однако увеличение размеров капель наблюдается только до определенного содержания крахмала. Если оно более 2%, размер капель уменьшается. Это явление вызвано интенсивным выделением из сердечника газов, приводящим к дроблению капель.

Повышение окислительного потенциала проволоки за счет введения в сердечник богатых кислородом материалов также способствует мелкокапельному переносу металла. По данным, приведенным на рис. 37, с увеличением содержания в проволоке хромпика время между переходами капель и их масса уменьшаются, частота отрыва капель увеличивается.

Рис. 37. Влияние содержания хромпика в проволоке на среднее время между переходами, частоту отрыва капель (а) и среднюю массу переходящих капель (б).

Введение в проволоку карбонатно-флюоритного типа раскислителей и легирующих способствует укрупнению капель (рис. 38, 39, 40), что связано с увеличением силы поверхностного натяжения, обусловленного более глубокой раскисленностью металла. Это подтверждается результатами газового анализа металла, наплавленного проволоками с различной степенью легирования (рис. 41).

Рис. 38. Влияние содержания марганца и кремния в проволоке на среднее время между переходами, частоту отрыва капель (а) и среднюю массу капель (б).

Рис. 39. Влияние содержания титана в проволоке на среднее время между переходами, частоту отрыва капель (а) и среднюю массу капель (б).

Изменение газо-шлакообра--зующей части сердечника при постоянном окислительном по-тенциале проволоки незна-чительно сказывается на вели-чинах т_ср, п и т_ср.



Рис. 40. Влияние содержания алюминия в проволоке на среднее время между переходами, частоту отрыва капель (а) и среднюю массу капель (б).

Рис. 41. Влияние количества раскис-лителей на содержание кислорода в наплавленном металле: / --FeMn+FeSi; 2-Al; 3-- FeTi.

Таким образом, характер плавления проволоки и переноса металла в сварочную ванну определяется составом сердечника, в первую очередь его окислительным потенциалом, конструкцией проволоки и режимом сварки.

1.4 Теплосодержание и температура капель электродного металла

Температура расплавленного металла и реагирующих с ним шлака и газов является одним из основных параметров, определяющих физико-химические и металлургические процессы сварки -- абсорбцию жидким металлом газов, интенсивность взаимодействия между шлаком и металлом, испарение и др.

Температура капель измерялась при сварке штучными электродами и в защитных газах [3,38, 103, 104, 160, 176 и др.]. В работе [11] имеются сведения о температуре капель при сварке порошковой проволокой. А.А. Ерохин [38] показал, что при сварке штучными электродами с ростом силы тока от 90 до 400 а температура капель увеличивается от 2200 до 2600° С. При напряжениях дуги 15 и 28 б температура капель соответственно составила 2150 и 2350° С. На обратной полярности температура капель на 200 град выше, чем на прямой. При одинаковом токе она выше у электродов меньшего диаметра, а при равной плотности тока -- выше у электродов большего диаметра.

Зависимость температуры t_K и теплосодержания S_K капель электродного металла от силы тока при сварке в аргоне приведена на рис. 42. При обратной полярности с ростом тока наблюдается резкое увеличение температуры капель и при значениях тока 200-300 а она достигает точки кипения. Температура капель при прямой полярности на 300-600 град ниже, чем на обратной. Нагрев капель на катоде и аноде определяется характером теплопередачи между дугой, каплей на торце электрода и электродом. При обратной полярности анодное пятно во всех опытах стабильно находится на торце капли и передача тепла дуги электроду осуществляется, в основном, через капли жидкого металла. С увеличением тока поверхность капли, занимаемая анодным пятном, растет, тепловой поток в каплю увеличивается.

Рис. 42. Зависимость теплосодержания и температуры капель электродного металла от сварочного тока при сварке на обратной (1) и прямой (2) полярности [103]: а - аргон, проволока СВ-08А, d=2 мм; б - аргон, проволока Св-0Х18Н9, d=2 мм.

Поскольку теплоотвод в проволоку лимитируется площадью контакта капли с проволокой, капля перегревается до температуры кипения.

При прямой полярности катодное пятно на электроде находится в беспорядочном движении. Оно часто перемещается с капли на боковую поверхность проволоки, чему способствует наличие окислов и следов волочильной смазки на поверхности проволоки. Тепловой поток из дуги в электрод как бы раздваивается. Часть тепла дуги передается проволоке через каплю, часть -- непосредственно через боковую поверхность проволоки. Перегрев капли снижается, растет скорость плавления проволоки. Изменение характера теплопередачи приводит к тому, что при одних и тех же скоростях плавления теплосодержание капель при прямой полярности значительно ниже, чем при обратной.

Теплосодержание капель, помимо режима сварки и полярности тока, зависит от теплофизических свойств металла электрода -- температуры плавления и кипения, теплопроводности, удельного сопротивления и т. д. Так, теплосодержание капель при сварке проволокой из технически чистого железа (Св-08А, температура кипения примерно 3070° С) выше, чем при сварке проволокой из нержавеющей стали (Св-0Х18Н9, температура кипения 2850° С).

Следует отметить, что при сварке в аргоне температура капель достигает точки кипения электродного металла при таких значениях сварочного тока, когда обычно наблюдается резкое изменение характера переноса металла -- из капельного в струйный.

Результаты измерений теплосодержания и температуры капель при сварке в углекислом газе проволокой Св-08Г2С приведены на рис. 43. Так же, как и при сварке в аргоне, теплосодержание капель при прямой полярности значительно ниже, чем при обратной.

Максимальная температура капель при обратной полярности составляет 2590-2700° С, что несколько ниже температуры кипения стали 08Г2С. Абсолютные значения теплосодержания капель при сварке в углекислом газе в сравнимых условиях также ниже, чем при сварке в аргоне. По-видимому, это вызвано более интенсивным охлаждением периферийных зон столба дуги вследствие расхода большого количества тепла на диссоциацию молекул С0₂. Степень сжатия столба дуги в углекислом газе в сравнении, например, с аргоном увеличивается, уменьшается поверхность анодного пятна, а следовательно, и поверхность, через которую тепло передается капле. Уменьшается степень перегрева.

Рис. 43. Влияние силы тока и полярности на теплосодержание капель электродного металла при сварке в углекислом газе проволокой Св-08Г2С [104]; a-d-2,0 мм; б --d=l,6 мм; в --d=l,2 мм; 1-обратная полярность; 2--прямая полярность.

Рис. 44. Схема установки для определения теплосодержания капель электродного металла: 1 - сосуд Дьюара о тающим льдом; 2 - термопара медь-константан; 3 - экранирующая трубка; 4 - медный диск; 5 - электродная проволока; 6 - токоподвод; 7 - медная трубка; 8 - войлок; 9 - теплоизоляционная прокладка; 10 - блок калориметра.

При сварке проволоками малого диаметра (1,2 и 1,6 мм) при обратной полярности наблюдается максимум теплосодержания капель в определенных пределах токов и снижение его с дальнейшим ростом тока.

Анализ данных, приведенных на рис. 43, показывает, что при одинаковых плотностях тока теплосодержание капель большее у проволоки большего диаметра. Уменьшение диаметра проволоки препятствует свободному расширению столба дуги, дуга становится сжатой. При этом размеры анодного пятна также ограничиваются, уменьшается поверхность передачи тепла в каплю, снижается ее теплосодержание. Новые данные о теплосодержании капель при сварке порошковой проволокой получены в работе [91].

Таблица 5

Составляющие	Содержание, %
Лента	70,0
Рутиловый концентрат	4,1
Полевой шпат	2,4
Ферромарганец	2,2
Ферросилиций	0,2
Крахмал	1,0
Хромпик	1,0
Окалина	1,0
Железный порошок	18.1

Теплосодержание электродного металла измерялось калориметром (рис. 44) при сварке порошковой проволокой с рутил-органическим сердечником, состав которой приведен ниже. Блок калори-метра выполнен в виде эллипсоида вращения с коническим углублением для улавливания капель. Такая форма выбрана для того, чтобы температура во всех точках была по возможности одинаковой. В трубке и блоке зачеканены термопары медь -- константан. Холодные спаи термопар погружены в сосуды Дьюара с тающим льдом. Для предотвращения теплообмена между блоком и трубкой они изолированы друг от друга. Изоляция трубки от излучения дуги осуществляется экранирующей втулкой. После сварки верхнюю часть калориметра вместе с трубкой вынимали из корпуса калориметра. Капли из блока извлекались и взвешивались. В процессе проведения опыта контролировалось изменение температуры трубки и блока калориметра. Количество тепла блока Qбл, и трубки Q_TP определяли по формулам (23)

(24)

где Н_бл, Н_тр -- водяной эквивалент блока и трубки калориметра, соответственно равный 988 и 386 кал/град; Дt бл., Дt_тр -- изменение температуры блока и трубки; д_бл, д_тр -- поправки на теплообмен, определяемые из наблюдений за ходом системы в начальный и конечный периоды.

Теплосодержание блока S_6n и трубки S_TP определяли по формулам

(25)

(26)

где G -- масса капель металла.

Суммарное теплосодержание капель вычисляли по формуле

(27)

При плавлении порошковой проволоки капли металла покрыты шлаком. Поэтому измеренное в калориметре теплосодержание капель S_K представляет сумму теплосодержаний металла S_u и шлака

Разделение металла и шлака и определение доли шлака в каплях производилось расплавлением их в алундовом тигле в среде аргона.

Теплосодержание шлака рассчитывали по формуле

(28)

где t_ш„--температура шлака; с_шл-- удельная теплоемкость шлака при температуре 2400° С, определяемая расчетным путем; q--теплота, выделяемая при превращении и плавлении отдельных окислов, входящих в состав шлака; з-- доля шлака в капле (по массе).

В расчетах t_mn была принята равной 2400° С. Это допущение не вносит существенной ошибки в измерения. Расчетные значения Сшл, зшл и S_шл., шлака, образующегося при плавлении рутил-органической проволоки, соответственно составили 0,23 кал/г-град; 0,102; 70 кал/г.

Температуру металла капель определяли по формуле

(29)

Здесь t_nJl-- температура плавления металла; Дt_м--температура перегрева металла выше точки плавления, определяемая из выражения

(30)

где с_ж-- средняя удельная теплоемкость жидкого металла в интервале t_пл--t_кип, равная для малоуглеродистой стали 0,179 кал/г- град; ДS_M -- разность теплосодержаний S_M-- Sпл.

Теплосодержание металла при температуре плавления S_M определяли по формуле

(31)

где с_тв-- средняя удельная теплоемкость металла в интервале температур 25° С --tпл; ?q1 -- теплота превращений; q2--скрытая теплота плавления.

Величины, входящие в формулу (31), определяли по справочным данным и расчетным путем. Было принято с_тв=0,152 кал/г-град, tпл= 1539° С, ?q1 = 19,3 калі г и q₂ = 65 кал/г, теплосодержание при температуре плавления металла составило 314,1 кал/г. Общая ошибка измерений теплосодержания ± 27 кал/г, что соответствует температуре ±150°.

Данные о влиянии силы тока на температуру капель t_M приведены в табл. 6. Сварка выполнялась на постоянном токе обратной полярности при напряжении дуги 23--25 в. С увеличением тока температура капель повышается. В диапазоне исследованных режимов температура капель металла не достигает точки кипения, как это наблюдается при сварке малоуглеродистой проволокой в аргоне, что, по-видимому, связано с различными энергетическими характеристиками дуги в аргоне и на воздухе. Более высокая температура капель металла наблюдается при повышении напряжения дуги (табл. 7). Это можно в определенной мере объяснить дополнительным нагревом капель в дуговом промежутке.

Таблица 6

Ісв.,а	SM> кал/г	tм- °С
200	394	2000
270	415	2100
310	427	2180
400	486	2500

Таблица 7

Uд,в	Sм,кал/г	t м,0С
23	418	2100
26	442	2220
30	510	2630

Экспериментальные данные о влиянии плотности тока на температуру капель иллюстрируются рис. 45. Температура капель растет при увеличении плотности тока.

Рис. 45. Влияние плотности тока на температуру капель электродного металла при сварке порошковой проволокой с рутиловым сердечником.

Температура капель при сварке порошковой проволокой зависит от соотношения масс железа оболочки и сердечника. Поскольку сердечник порошковой проволоки практически не электропроводен, нагрев и плавление его происходят, в основном, за счет излучения дуги. Чем большая доля «холодного» железа сердечника поступает в каплю, тем ниже ее температура (табл. 8).

Таблица 8

Доля Fе в проволоке,%	Плотность тока, а/мм2	S кал/г	t м, 0С
оболочки	железного порошка
70	18	65,5	425	2160
76	12	48,0	440	2240
85,5	2,5	39	486	2560

Примечание. Режим сварки: /_СВ=200ч210 а, Uд=24ч26 в.

Анализируя экспериментальные данные, можно заметить, что при сварке порошковой проволокой сохраняются те же закономерности влияния режима сварки на температуру капель, которые присущи процессу сварки сплошной проволокой в защитных газах. При одинаковых плотностях тока теплосодержание капель близко к теплосодержанию капель, измеренному при сварке в углекислом газе, и значительно ниже, чем при сварке малоуглеродистой проволокой в аргоне. Это связано со значительными затратами тепла на диссоциацию газов воздуха, что приводит к сжатию столба дуп и изменению условий передачи тепла в каплю.

Значительная часть энергии тратится на плавление шлаков Теплосодержание шлака составляет 10--15% общего теплосодержания расплавленой проволоки.

сварка проволока электродный металл

Глава II. Взаимодействие металла с газами

2.1 Азот в металле сварных швов

Азот в сварных швах на малоуглеродистых и низколегированных сталях -- вредная примесь. Присутствие его вызывает снижение пластичности швов; при пересыщении сварочное ванны азотом повышается склонность металла шва к пористости.

Проблема предотвращения вредного влияния азота -- одна из наиболее сложных проблем в металлургии сварки вообще и при сварке открытой дугой в особенности. Согласно современным представлениям азот в металле находится в виде атомов или группировок, содержащих атомы, а также в виде самостоятельных нитридных фаз. Растворению предшествуют поверхностные реакции и диссоциация молекул азота.

Растворимость азота в железе зависит от температуры и наличия примесей. В твердом железе с объемноцентрированной решеткой зависимость растворимости азота от температуры описывается уравнением [73]

(32)

Для г-железа, имеющего гранецентрированную решетку, эта зависимость имеет вид [73]

(33)

В а- и д - железе растворимость азота растет с повышением температуры. В у-железе растворяется значительно больше азота, однако с повышением температуры его растворимость падает.

В жидком железе при температуре плавления растворяется, по данным многочисленных исследований, около 0,04% азота. Растворимость в интервале температур плавления и кипения рассчитана [135] и определена экспериментально.

Согласно данным работы [119], растворимость азота в жидком железе в интервале температур 1700--2500° С описывается уравнением

(34)

где р_Ре-- упругость пара железа, атм.

Максимум растворимости наблюдается при температуре около 2300° С и составляет 0,059% . При дальнейшем повышении температуры увеличивается упругость пара железа, что приводит к уменьшению парциального давления азота в пограничном слое и снижению растворимости-.

Во всем диапазоне температур 1700-2600° С растворимость азота в железе подчиняется закону Сивертса. Подобная закономерность установлена также для сплавов железа [74, 177]. Отклонения наблюдаются лишь при появлении в системе металл - газ третьей фазы - нитрида [1, 74, 166, 167].

Находящиеся в жидком железе углерод и кремний снижают растворимость азота; марганец, хром, ванадий, ниобий -- повышают ее, а вольфрам и молибден влияют незначительно. Вли-яние кислорода оценивается противоречиво По данным наиболее поздних иссле-дований, кислород, как поверхностно-активный элемент, снижает скорость абсорбции азота. Подобное явление наблюдается и при окислении углерода.

В бинарных сплавах железа, содержащих элементы, обладающие высоким сродством к азоту, при определенных условиях образуются самостоятельные нитридные фазы. К числу элементов, способных образовывать нитриды в жидких и твердых железных сплавах, относятся титан и алюминий.

В системах Fe -- Ті -- N или Fe -- Al -- N равновесие определяется условиями протекания реакций

(35)

(36)

Образование нитрида возможно, если парциальное давление азота превышает упругость диссоциации нитрида в данных условиях. На рис. 46 представлены зависимости предельных парциальных давлений азота рn₂, при которых еще соблюдается закон Сивертса, от концентрации титана и алюминия в металле при температуре 1580° С. Выше этих парциальных давлений азота в сплавах Fe-Ті, Fe-Al образуются нитриды. Данные о растворимости азота в сплавах железа с титаном и алюминием при температуре 1580° С и парциальном давлении азота 1 атм приведены на рис. 47. Кривые А₁С₁ и А₂С₂ на диаграмме характеризуют состояние равновесия реакций (35) и (36).

Рис. 46. Зависимость предельных значений рN₂ от концентрации титана и алюминия в бинарных сплавах с железом [74].

При расплавлении железа электрической дугой содержание азота в нем оказывается выше, чем при плавлении без дуги [168]. Повышение активности азота в атмосфере дуги связано с возбуждением молекул и их диссоциацией, в связи с чем скорость растворения азота возрастает [159].

При дуговой сварке жидкий металл контактирует с атмосферой, содержащей азот в молекулярном, атомарном и возбужденном состояниях. Содержание азота в жидком металле, контактирующем с такой атмосферой, может превышать растворимость в равновесных с молекулярным азотом условиях.

Рис. 47. Растворимость азота в сплавах железа с титаном и алюминием при P_N2=1 атм [74].

Рис. 48. Схема диапазона рабочих режимов сварки.

Содержание азота в металле шва существенно зависит от рода тока, полярности, режима сварки, состава атмосферы дуги, состава электродного материала.

По мнению большинства исследователей, изучавших вопросы взаимодействия металла с азотом при дуговой сварке, повышение напряжения дуги приводит к повышенному насыщению металла шва азотом [95, 120, 169, 173], а увеличение сварочного тока, по мнению одних исследователей, влияет незначительно, а по мнению других, это влияние существенно, причем зависит от полярности. При прямой полярности насыщение капель электродного металла азотом больше, чем при обратной [55, 89, 92, 173].

Экспериментальные данные, полученные для условий сварки в атмосфере, состоящей из смеси азота с различными газами, показывают, что повышение окислительного потенциала газовой фазы путем добавок кислорода, окиси и двуокиси углерода вызывает увеличение концентрации азота в наплавленном металле.

При легировании электродного материала различными элементами содержание азота в металле шва может изменятся в широких пределах. В большинстве случаев наблюдается удовлетворительное соответствие между влиянием элементов на содержание азота в металле шва и изменением растворимости азота в железе в присутствии этих элементов. В случае легирования титаном, алюминием или цирконием [14, 43, 44,121, 135] в металле шва обнаруживаются нитриды этих элементов.

При сварке открытой дугой без дополнительной защиты зоны дуги заметное снижение содержания азота в металле швов достигается благодаря увеличению доли газообразующих и шлакообразующих составляющих в электродном материале [91, 95, 120]. Появление дополнительных количеств газа в зоне дуги и увеличение объема шлака приводят к снижению парциального давления азота у поверхности расплавленного металла и замедлению скорости его поглощения.

Таким образом, содержание азота в металле шва при дуговой сварке, по мнению большинства исследователей, определяется условиями насыщения металла азотом: температурой металла, парциальным давлением газа в атмосфере дуги, степенью диссоциации и возбуждения в дуге его молекул, а также кинетическими параметрами плавления и переноса расплавленного металла, в частности величиной поверхности взаимодействия с газами и временем.

При сварке порошковой проволокой характер плавления и переноса металла, температурные условия, формирование газошлаковой защиты и другие факторы, как было показано выше, отличаются от наблюдаемых при других способах сварки, что приводит к изменению условий взаимодействия металла с азотом. Рассмотрим особенности этих процессов.

Влияние условий сварки на насыщение металла азотом. Величина применяемых на практике напряжений дуги и сварочных токов для данной порошковой проволоки ограничена определенными пределами, т. е. для данной проволоки существует диапазон режимов, в пределах которого возможен нормальный технологический процесс сварки. Этот диапазон принято называть диапазоном рабочих режимов сварки. Нарушение его приводит к появлению дефектов в швах, резкому ухудшению технологических характеристик. Схематически такой диапазон представлен на рис. 48. Линии А Б и ВГ ограничивают пределы режимов сварки по напряжению дуги, линии АГ и БВ -- по сварочному току. При пересечении диапазона линиями х -- х' выделяется диапазон токов, которые могут быть использованы при данном напряжении, а линиями у -- у' -- диапазон напряжений для заданного тока.

Зависимости содержания азота в металле наплавки от напряжения дуги для двух выбранных токов (пересечение диапазона линиями у -- у') представлены на рис. 49. Приведенные зависимости для проволок различного состава и конструкций идентичны. Повышение напряжения дуги приводит к увеличению содержания азота в металле.

Если влияние силы тока на содержание азота в металле наплавки оценивать при постоянном напряжении дуги (пересечение диапазона режимов линиями х -- х'), то обнаруживается снижение содержания азота с возрастанием тока. Это легко заметить из того же рис. 49, если на графиках сравнить содержание азота по вертикали (при U_д = const). Однако при этом для малых токов сравниваемое напряжение будет ближе к верхнему пределу диапазона режимов, а для больших -- к нижнему.

Если же оценить влияние тока при среднем значении напряжения для каждого выбранного значения силы тока, то окажется, что влияние это невелико и зависит от состава и конструкции проволоки, а также от степени ее легирования;



Рис. 49. Влияние напряжения дуги и силы тока на содержание азота в наплавленном металле: а -- раскисление Мп и Si; трубчатая конструкция; б --то же, двухслойная конструкция; в--раскисление Ті, трубчатая конструкция; г -- раскисление Al, трубчатая конструкция; I-- Iсв-320ч340 а; 2 -I св= 420ч450 а.

Рис. 50. Влияние вылета электрода на содержание азота в наплавленном металле: a-d=3 мм, /_св-350ч380 а; б- d=2,2 мм, /_св = 230ч260 a.

При сварке открытой дугой трубчатой проволокой с рутил-органическим сердечником заметное снижение содержания азота в наплавленном металле наблюдается в области малых токов И231, последующее возрастание тока не влияет на содержание азота. Для проволоки с карбонатно-флюоритным сердечником, напротив, обнаруживается некоторое увеличение содержания азота, более заметное при использовании проволоки с высоким содержанием нитридобразующих элементов алюминия и титана. Содержание азота при сварке проволокой двухслойной конструкции при различных токах и оптимальном напряжении дуги остается практически неизменным. Использование защитной среды углекислого газа позволяет сохранять содержание азота на низком уровне при высоких сварочных токах путем увеличения расхода газа.

Изменение содержания азота в металле наплавки наблюдается также при изменении величины вылета порошковой проволоки. Увеличение вылета до определенной величины не влияет на содержание азота в наплавленном металле, а затем приводит к его росту (рис. 50). Эта зависимость справедлива для проволоки различных типов, конструкций и диаметров. Величина допустимого вылета, выше которой заметен рост содержания азота, в значительной мере зависит от плотности тока и типа сердечника. При сварке открытой дугой длину вылета нужно уменьшать по мере повышения силы тока. При сварке в углекислом газе хорошая защита зоны дуги позволяет избежать роста содержания азота при больших вылетах.

Влияние параметров режима связано с изменением важнейших факторов, определяющих процессы поглощения азота жидким металлом, прежде всего на стадии капли.

Поскольку исходные концентрации азота в проволоке невелики, абсорбция азота расплавленным электродным металлом будет определяться в первую очередь его растворимостью в расплаве, температурой и парциальным давлением азота в газовой фазе.

Капли металла при сварке порошковой проволокой, как указывалось выше, нагреваются до температуры, близкой температуре максимальной растворимости азота в железе (2000--2400° С).

Парциальное давление азота у поверхности расплавленного металла зависит от количества защитного газа в зоне плавления. Увеличение напряжения дуги связано с возрастанием длины дугового промежутка; количество выделяющегося при плавлении проволоки газа может оказаться недостаточным для оттеснения воздуха от поверхности расплавленного металла и содержание в нем азота будет возрастать. При сварке в углекислом газе с повышением напряжения дуги парциальное давление азота в зоне дуги также возрастает за счет подсоса воздуха.

Значительное увеличение вылета электродной проволоки приводит к ранней диссоциации газообразующих материалов (см. параграф 2), к потере части защитного газа вследствие удаления его через стык в оболочке порошковой проволоки. Вероятность этих потерь возрастает с ростом сварочного тока, когда оболочка проволоки нагревается на вылете до значительных температур.

Органические материалы диссоциируют при меньших температурах нагрева, чем, например, карбонаты. Как было показано ранее, скорость разложения газообразующего определяется не только прочностью соединения, но и составом всего сердечника, а также условиями подвода к нему тепла (диаметром и конструкцией проволоки).

Изменение кинетических факторов оценивается с помощью скоростной оптической киносъемки процесса плавления и переноса металла.

Обработанные кинограммы процесса сварки порошковой проволокой дают сведения о времени взаимодействия металла с газами на стадии капли т_вз и величине, называемой условным параметром взаимодействия щ:

(37)

где F--площадь поверхности капли; V_K -- объем капли; ф_вз-- время жизни капли на торце электрода.

На рис. 51 приведены зависимости, отражающие влияние параметров режима сварки на изменение величин ф_вз и щ для проволоки различных конструкций.



Рис. 51. Влияние силы тока и напряжения дуги на среднее время между переходами капель ф и величину щ: а -- проволока трубчатой конструкции; б--проволока двухслойной конструкции.

Из полученных зависимостей очевидно, что наиболее существенные изменения кинетических параметров наблюдаются при изменении сварочного тока. Увеличение тока приводит к уменьшению времени взаимодействия металла капли с газами т_вз и параметра взаимодействия щ. Уменьшение этих величин должно снижать содержание азота в металле капли.

Существенное нарушение атмосферы дуги происходит при наличии ветра. Степень влияния ветра на содержание азота в металле шва определяется его скоростью и направлением. Наибольшее нарушение газовой защиты зоны плавления вызывает ветер, встречный по направлению сварки. Влияние бокового ветра проявляется в меньшей степени; попутный ветер до определенных скоростей практически не влияет на содержание газов в металле [172].

При сварке проволокой сплошного сечения Св-08Г2С в углекислом газе повышение скорости встречного ветра до 2 м/сек способствует возрастанию содержания азота в металле шва до 0,035%, дальнейшее увеличение скорости ветра приводит к появлению пор в швах. Наличие шлаковой защиты при сварке порошковой проволокой позволяет получать плотные швы при скорости встречного ветра до 3 м/сек, содержание азота в металле шва при такой скорости составляет 0,03--0,034% .

Самозащитная порошковая проволока менее чувствительна к влиянию ветра. Влияние ветра изучено при сварке проволокой карбонатно-флюоритного, флюоритного и рутил-органического типов.

Общее содержание азота в металле наплавок, выполненных самозащитной проволокой указанных типов при оптимальных режимах по току и напряжению в условиях безветрия, составляло: для проволоки карбонатно-флюоритного типа -- 0,015--0,019% ; флюоритного -- 0,020--0,028% ; рутил-органического -- 0,025--0,030% . Увеличение скорости встречного ветра до 4 м/сек практически не изменило содержания азота в металле наплавки; при скорости ветра 8 м/сек содержание азота в металле наплавки составило: для проволоки карбонатно-флюоритного типа 0,021--0,024% ; флюоритного -- 0,030--0,033% ; рутил-органического 0,036--0,038% . Увеличение скорости ветра до 12 м/сек привело к образованию пористости при сварке проволокой рутил-органического типа. Содержание азота в плотных наплавках, выполненных проволокой других типов, составило: для проволоки карбонатно-флюоритного типа 0,029--0,034%, флюоритного 0,037--0,041%.

Механические свойства металла шва и сварного соединения, выполненного при такой скорости ветра, снизились, однако остались в пределах допустимого уровня. Так, значение работы разрушения при испытаниях на ударный изгиб сварного соединения, выполненного проволокой флюоритного типа, уменьшилось с 7 кГм при отсутствии ветра до 4--5 кГм при скорости его 20 м/сек [172]. Благодаря наличию в проволоке нитридобразующего элемента -- алюминия металл шва при такой скорости ветра оставался плотным, несмотря на высокое содержание в нем азота.

Таким образом, низкие концентрации азота в металле обеспечиваются при оптимальных условиях сварки. Отклонение от них приводит к изменению одного из факторов, определяющих поглощение азота металлом. Содержание азота в металле будет тем ниже, чем меньше парциальное давление азота у поверхности расплавленного металла, чем больше температура его смещена от температуры максимальной растворимости азота в расплаве, чем меньше поверхность контакта и время взаимодействия жидкого металла с атмосферой дуги.

Взаимодействие с азотом металла, легированного титаном и алюминием. Легирование металла шва титаном и алюминием при дуговой сварке приводит к изменению прочности и пластичности металла шва, склонности к образованию кристаллизационных трещин и других свойств. Металл швов с высоким содержанием титана и алюминия обладает низкой ударной вязкостью. Высокое содержание этих элементов повышает склонность к образованию кристаллизационных трещин [113]. При сварке под флюсом конструкционных углеродистых сталей обнаружено снижение ударной вязкости металла швов, содержащих свыше 0,4% титана [142].

С выделением нитридов алюминия связывают хрупкость швов [43, 44, 45] при сварке под флюсом сталей, успокоенных алюминием. Благоприятное влияние титана и алюминия на свойства металла швов при сварке под флюсом наблюдалось при комплексном легировании небольшими добавками [14, 70, 170].

В условиях ручной дуговой сварки наблюдается большой угар титана и алюминия, содержащихся в покрытии. В металле шва обнаруживаются незначительные количества этих элементов, при этом его свойства оказываются достаточно высокими [84, 179].

Введение в проволоку для сварки в углекислом газе титана и алюминия в ряде случаев вызывает охрупчивание металла шва [41, 76].

Влияние титана, алюминия и азота на свойства швов, выполненных открытой дугой, оценивается противоречиво. В работе [28] легирование алюминием во всех случаях считается неблагоприятным. В то же время в работах [53, 94, 105] показана возможность получения швов с высокими механическими свойствами при легировании алюминием и титаном раздельно или комплексно.

Титан и алюминий, обладающие большим химическим сродством к азоту, способны связывать его в жидкой стали в прочные нитриды и таким образом предотвращать пересыщение металла азотом.

При сравнительно высоких скоростях кристаллизации сварочной ванны нитриды, как правило, не успевают всплыть и остаются в металле, существенно влияя на его свойства.

Являясь сильными раскислителями, титан и алюминий восстанавливают из окислов элементы, обладающие меньшим сродством к кислороду. Это также оказывает большое влияние на механические свойства швов.

Таким образом, при связывании азота в нитриды путем легирования проволоки титаном или алюминием существенно ухудшается пластичность металла швов. Для определения целесообразности использования этого пути при разработке самозащитной порошковой проволоки были проведены специальные исследования. Титан и алюминий вводили в сердечник порошковой проволоки карбонатно-флюоритного типа в виде ферротитана или алюминиевого порошка соответственно.

На рис. 52 и 53 приведены кривые зависимости содержания азота в наплавленном металле от количества титана и алюминия в проволоке при различных условиях насыщения металла азотом. Зависимости построены по результатам химического анализа наплавок, выполненных при различных напряжениях проволокой трубчатой конструкции (/--3), а также двухслойной конструкции (4).

Для проволоки, легированной титаном, увеличение содержания азота в наплавленном металле наблюдается при введении более 0,6--0,7% титана. Содержание титана в металле при этом составило 0,10--0,20%.Для проволоки, легированной алюминием, содержание азота заметно увеличивается лишь тогда, когда алюминия в проволоке более 3%. В этом случае алюминия в металле швов содержится 0,9--1,0%.

Рис. 52. Влияние содержания титана в проволоке и напряжения дуги на содержание азота в наплавленном металле: І-U_д=28 в; 2- U_д =26,5 в; 3 и 4 - U_Д =25 в.

Рис. 53. Влияние содержания алюминия в проволоке и напряжения дуги на содержание азота в наплавленном металле: I-- U_д=29,5 в; 2-- U_д=27 в; 3 и 4--U_д=25 в.

Влияние легирования титаном и алюминием на содержание азота в наплавленном металле связано со сродством этих элементов к азоту и растворимостью азота. Титан обладает большим сродством к азоту, чем алюминий. Реакция образования нитрида в жидкой стали с содержанием азота 0,01% наблюдается уже при относительно небольших концентрациях титана (порядка 0,1%). В то же время в жидкой стали с таким же содержанием азота, легированной алюминием, образование нитрида алюминия возможно при содержании алюминия более 5% [1, 74, 149, 166, 167, 175].

Кислород, как указывалось выше, оказывает существенное влияние на скорость поглощения азота жидким металлом. Введение титана и алюминия в проволоку приводит к снижению концентрации кислорода в металле. Однако при этом не наблюдается четкой связи между содержанием в металле кислорода и азота (рис. 54). Содержание кислорода уменьшается с увеличением содержания титана и алюминия в наплавленном металле. В то же время содержание азота возрастает при повышении концентрации титана более 0,15% и практически не изменяется при увеличении концентрации алюминия до 0,7% .

Рис. 54. Влияние содержания титана (а) и алюминия (б) на содержание кислорода (1) и азота (2) в наплавленном металле.

...