Сварка порошковой проволокой

В процессе образования газового пузырька необходимая энергия, равная работе L, создается при выделении атомарного газа из жидкости и твердой фазы в газовую полость с образованием молекулярного газа по реакции



Рис. 78. Схема зарождения газового пузырька.

(47)

(48)

Величину L в первом приближении можно считать пропорциональной перенасыщению жидкой и твердой фаз газом в зоне образования пузырьков, т. е.

(49)

где К₁ и К₂-- коэффициенты пропорциональности; ДU_ж и ДU_т -- перенасыщение жидкого и твердого металла газом.

Подставив выражение (49) в формулу (46) и обозначив через -- характерный размер газового пузырька, получим, что минимальное значение R при прочих равных условиях определяется выражением

(50)

Из выражения (50) следует, что чем выше перенасыщение, тем мельче зарождающиеся пузырьки газа (соответственно большее их количество на единицу объема жидкости либо поверхности твердой фазы). Зарождение газового пузырька внутри жидкости (F_a=0) возможно при значительно больших его первоначальных размерах и требует большей работы (см. формулу (46)). Величина зародыша зависит также от диффузионного потока газа из твердой фазы [91]. Очевидно, если газ будет диффундировать из твердого тела в жидкую фазу, вероятность зарождения пор значительно увеличится.

Оценка направления диффузионного потока водорода дана в работе [91] на основе решения уравнения диффузии для случая движения фронта кристаллов [69]. Установлено, что при непрерывном движении границы раздела фаз, связанном с кристаллизацией жидкой фазы, диффузионный поток газа в твердой фазе вблизи границы раздела всегда направлен в твердую фазу, т. е. этот поток не оказывает благоприятного влияния на зарождение пузырьков, он скорее даже препятствует ему.

При неподвижной границе раздела фаз во время остановки направление потока практически определяется отношением концентрации газа в твердой фазе вблизи границы раздела U*т к средней концентрации газа в жидкой фазе U_ox.

Если (где К -- коэффициент рчспределения), то диффузионный поток в твердой фазе у границы раздела направлен в сторону жидкой фазы. При направление потока противоположно.

Практически почти всегда имеет место отношение [91].

Таким образом, поверхность растущих кристаллов в момент остановки кристаллизации является одним из наиболее благоприятных участков для возможного зарождения пузырьков водорода и азота при соответствующей величине U_ож.

Рост пузырька. Если допустить, что в начальный период роста газового пузырька перенасыщение окружающей среды остается постоянным и не учитывать изменения давления в растущем пузырьке, то приток газа к сферической оболочке (для простоты принято Fа = 0) из окружающей жидкости за время dф рассчитывается по формуле [155]

 (51)

Увеличение объема пузырька за элементарный период времени роста dф

(52)

Соответствующее количество газа, появляющееся в пузырьке,

(53)

где U_r -- количество газа в пузырьке в единице объема последнего.

Сравнивая (51) и (53), получаем выражение для скорости роста пузырька

(64)

из которого следует, что скорость изменяется пропорционально коэффициенту диффузии и уменьшается с увеличением радиуса пузырька.

Используя выражение (54), можно оценить время, за которое пузырек достигает размеров, характеризуемых величиной R

(55)

Учитывая, что давление в порах не намного превышает 1 атм (измерения приведены А. П. Пальцевичем), значение U_r можно приближенно принять равным 1--2 см³/см³.

Приняв ДU_ж = (10 ч30) см³/100 г; D_Hж = 3,5 х10-³ см²1сек; D_Nж = 4,5 х 10^-6 см^г/сек\ y_Fe = 7,0 г/см³ и R² > > R²_min, оценим время ф роста пузырька радиусом R (табл. 16).

Таблица 16

	ф, сек при R, см
Газ	0,01	0,02	0,05	0,10	0,15	0,2
H2	0,04--0,007	0,16--0,27	1,0--0,17	4,72--0,68	9,2--1,53	16,4--2,72
N2	3,1--0,54	12,5--2,1	78--13,2	-	-	-

Результаты расчетов свидетельствуют о том, что для образования газового пузырька, размеры которого соответствуют регистрируемым размерам макропор в металле сварного шва (более 1 мм), необходимо достаточно большое время, если подвод газа определяется только атомарной диффузией, что характерно для неперемешивающегося слоя у границы раздела фаз. Это позволяет сделать вывод, что во время движения фронта кристаллизации возникновение пузырька водорода маловероятно, поскольку скорость роста кристаллов обусловливается скоростью отвода тепла, которая по крайней мере на два порядка выше скорости диффузии водорода в жидком металле. Еще менее вероятно в этом случае образование пузырьков азота.

Более благоприятны условия для образования пор вблизи фронта кристаллизации во время остановки. Локальное пересыщение жидкого металла газом в узком неперемешивающемся слое и направление диффузионного потока газа в жидкую фазу способствуют образованию пор. Однако условия для роста здесь достаточно ограниченные, поскольку продолжительность остановки мала.

Период остановки роста кристаллов определяется временем отвода скрытой теплоты кристаллизации и теплоты перегрева, т. е. зависит от режима сварки и физических свойств металла шва. Для стали длительность остановки обычно не превышает 0,1--0,2 сек, что недостаточно для развития макропоры радиусом 0,5 мм и более вследствие атомарной диффузии азота в железе.

Следует учесть, что величина ДU_ж, обусловленная локальным перенасыщением, в процессе роста пузырька газа резко уменьшается, так как толщина слоя с высоким перенасыщением у фронта кристаллизации обычно весьма мала (имеет порядок *, где v - мгновенная скорость кристаллизации; для водородасм, а для азотасм, если v > 0,3 ч 0,4 см/сек). Поэтому локальное перенасыщение жидкого металла газом у фронта кристаллизации обусловливает вероятность зарождения пузырьков с малой величиной Rmin, но не может способствовать их достаточному росту при незначительной средней концентрации газа в объеме жидкой ванны. Для развития зародыша в пузырек определенных размеров (R > 0,5 мм) -- пору -- необходим интенсивный подвод газа из жидкого металла главным образом путем конвективного массопереноса из объёма сварочной ванны, перенасыщенной газами вследствие уменьшения их растворимости при охлаждении металла.

Термодинамические расчеты. Для приближенной термодинамической оценки вероятности образования пузырьков используется неравенство

(56)

где р_выд--сумма парциальных давлений газов, могущих выделиться при кристаллизации; р вн.д _.--внешнее давление.

Внешнее давление складывается из атмосферного давления, ме-таллостатического, шлакостатического и давления поверхностной пленки металла. Учитывая небольшие величины металлостатического и шлакостатического давления для условий сварочной ванны (менее 0,1 атм), а также большую возможность образования зародышей на границе раздела фаз (границы кристаллов металла, шлаковые включения и др.), обычно полагают, что вероятность возникновения пористости существует, если давление выделения р_выд. больше 1 атм [88,91]. При термодинамических расчетах определяют скрытое давление газов в металле сварочной ванны, представляющее собой сумму парциальных давлений газов, выделяющихся из ванны в результате протекания всех возможных реакций в условиях равновесия.

Скрытые парциальные давления газов, выделяющихся при кристаллизации, можно приближенно определить из уравнений:

(57)

где [Н] -- содержание водорода в металле, %; S_H -- растворимость водорода в железе при температуре плавления, Sн = 0,0027%;

(58)

где [N] -- содержание азота в металле, %; Sn -- растворимость азота в железе при температуре плавления, Sn = 0,040%.

(59)

где [С] и [О] -- концентрации углерода и кислорода в железе, %; Ксо -- равновесная константа реакций окисления углерода при Т= 1810°К, К_со = 437; /_с, /₀ -- коэффициенты активности углерода и кислорода.

При расчетах количество растворенного кислорода обычно принимают равным [93]

(60)

Приближенные термодинамические расчеты по приведенной схеме позволяют в определенной мере оценить вероятность возникновения пор в металле и выявить роль отдельных газов в возникновении пористости по результатам химического и газового анализов металла шва. Поскольку условия кристаллизации сварочной ванны далеки от равновесных, то приведенный выше расчет дает лишь качественную картину. Для получения более точных сведений необходим учет кинетических факторов.

Из газов, способствующих возникновению пористости металла, наиболее диффузионно подвижным является водород, поэтому его роль в возникновении пористости при наличии условий, по-видимому, является ведущей. В то же время реакция окисления углерода может вызывать пористость лишь при весьма высоких концентрациях кислорода в металле, поскольку углерод и кислород диффундируют со значительно меньшими скоростями, чем водород.

Важную роль в возникновении и развитии газовых пузырьков играют поверхностно-активные элементы. Блокируя межфазную поверхность жидкий металл -- газ, они замедляют десорбцию газа и способствуют перенасыщению металла ванны газами, особенно в холодной ее части, в момент времени, непосредственно предшествующий затвердеванию металла. В таком направлении действуют, в частности, углерод и кремний.

Скорость роста пузырьков, как указывалось выше, определяется степенью перенасыщения металла сварочной ванны газами и кинетикой их десорбции в зародыши. При наличии поверхностно-активных элементов скорость десорбции газов невелика, развитие пузырька происходит в объеме вязкого металла, в котором скорость всплывания пузырька понижена. В этих условиях часто образуются наружные поры -- свищи.

Образование же мельчайших пор у линии сплавления наиболее вероятно в случаях локального перенасыщения жидкого металла у фронта кристаллизации в момент остановки и в местах с наибольшей длительностью остановок.

3.2 Пористость швов при сварке проволокой различных типов

Сварка проволокой рутил-органического типа. Повышение содержания кремния в стали, введение в проволоку активных раскислителей, увеличение силы тока, вылета электрода - факторы, способствующие появлению пористости при сварке проволокой с рутил-органическим сердечником. Увлажнение материалов сердечника, ржавчина и окалина на поверхности металла не вызывают пористости.

В проволоке рутил-органического типа насыщение металла азотом в основном ограничивают органические материалы. Увеличение доли крахмала в сердечнике позволяет снизить содержание в металле азота и кислорода, поступающих из атмосферы. Однако введение больших количеств органики в сердечник приводит к неравномерному плавлению и ухудшению сварочно-технологических свойств и, кроме того, оно малоэффективно с точки зрения дальнейшего снижения содержания азота.

Зависимость химического состава металла шва и содержания газов в металле наплавки от количества крахмала в проволоке ПП-АН1 иллюстрируется данными, приведенными в табл. 17 (L_св= 240-250 а, обратная полярность, v_CB= 16 м/ч). Как следует из таблицы и расчетов, произведение [С] * [0]_р во всех исследованных случаях ниже равновесного, равного 0,0023 при 1550° С. Из этого можно сделать вывод о том, что окисление углерода в ванне не получает существенного развития и не может служить скрытой причиной пористости швов. Данные, полученные в результате расчета скрытого парциального давления газов по экспериментальным данным (табл. 17) приведены в табл. 18. Они показывают, что ведущая роль в возникновении пористости принадлежит водороду. Высокие значения суммарного скрытого давления газов при отсутствии пор в швах свидетельствуют о том, что условия кристаллизации металла в этом случае далеки от равновесных.

Таблица 17

Содержание крахмала в проволоке, %	Содержание в металле наплавки	Содержание в металле шва
	[H]сум, см3/100 г	[N], %	[0]общ, %	С	Мп	Si	[С]-[0]р
1	0	26,1	0,035	0,138	0,06	0,45	0,07	0,00125
2	0,5	28,5	0,019	0,115	0,05	0,52	0,09	0,00086
3	1,0	28,6	0,020	0,076	0,08	0,63	0,07	0,0009
4	1,5	29,9	0,024	0,077	0,06	0,67	0,08	0,0007
б	2,0	27,1	0,018	0,058	0,05	0,63	0,08	0,00044
6	3,0	30,3	0,016	0,069	0,06	0,75	0,08	0,0009

Примечание. В расчетах принято lO1_p= 0,15 [0]_общ.

Таблица 18

Номер опыта	Давление газов, ат ч	Наличие пор
	Рсо	PN2	рн2	Рсум
1	0,53	0,78	0,93	2,24	Есть
2	0,36	0,23	1,06	1,65	Нет
3	0,38	0,25	1,06	1,69	»
4	0,30	0,36	1,22	1,88	»
5	0,19	0,20	1,01	1,40	»
6	0,38	0,16	1,26	1,80	Единичные поры

При отсутствии крахмала в проволоке кроме водорода образованию пор могут способствовать окись углерода и азот. Для объяснения причин пористости швов при повышенных содержаниях сильных раскислителей воспользуемся экспериментальными данными о влиянии графита и ферросилиция на газонасыщенность и плотность швов, выполненных проволокой рутил-органического типа. Приведенные в табл. 19 данные свидетельствуют о том, что вероятность образования окиси углерода во всех случаях очень мала. Увеличенное количество углерода и кремния в ванне подавляет образование СО, но не устраняет пористости. Как было указано выше, блокирование этими элементами межфазной поверхности снижает скорость десорбции газов. Зарождение пузырьков начинается в момент, непосредственно предшествующий затвердеванию. Пузырьки газа не успевают всплыть, и в металле образуются поры. Характерно, что дополнительная защита углекислым газом не устраняет пористости в данном случае. Это свидетельствует о том, что поры вызываются преимущественно водородом, содержание которого в металле остается достаточно высоким.

Таблица 19

Si, %	С,. %	[Н]сум, см3/100 г	[N], %	[О]общ, %	[C]·[O]p (расчет)	Наличие пор
0,1	0,08	23,5	0,034	0,17	0,0020 0,0018	Нет
0,19	0,09	23,3	0,030	0,12	0,0014	Есть
0,1	0,18	23,7	0,022	0,051		»

Пористость металла при сварке с повышенной силой тока характерна для проволоки рутил-органического типа. Воспользуемся, как и в предыдущем случае, экспериментальными данными, полученными при сварке проволокой марки ПП-АН1 диаметром 2,8 мм (табл. 20). Изучение результатов газового анализа и расчеты показывают, что при больших токах вероятность образования окиси углерода не возрастает.

Таблица 20

Режим сварки	С, %	[О]общ. %	[C][0]p (расчет)	[H]сум, см3/100 г	[N]. %	Наличие пор
I св.	Uд.в
140	24	0,09	0,089	0,0012	27,8	0,034	Нет
240	25	0,08	0,17	0,0020	23,5	0,023 0,025	»
300	26	0,08	0,078	0,0011	23,0		Есть

С увеличением сварочного тока заметным становится отставание плавления сердечника от плавления оболочки (см. параграф 3). Попадающие в ванну нерасплавившиеся частицы сердечника могут служить центрами зарождения пузырьков газа.

Увеличиваются также размеры и время кристаллизации ванны, что облегчает условия ее дегазации. Тем не менее скрытое давление водорода в металле остается высоким и его следует считать ответственным за пористость швов при сварке на повышенных токах.

Сварка проволокой карбонатно-флюоритного типа. Пористость швов при сварке проволокой этого типа наблюдается при удлинении дуги, увлажнении материалов сердечника проволоки, а также при сварке ржавого металла.

Возникновение пор при сварке на повышенном напряжении дуги связано с повышенной абсорбцией азота и недостаточно хорошей защитой металла капель и ванны. Об этом свидетельствуют данные о газонасыщенности металла при сварке открытой дугой и в различных защитных средах, не содержащих азота, в зависимости от состава атмосферы дуги (табл. 21). Расчет по экспериментальным данным показывает, что произведение [С] [0]_р для всех рассмотренных случаев значительно ниже равновесного, т. е. окисление углерода в ванне маловероятно. В табл. 22 приведены результаты расчета скрытого парциального давления газов, выполненного по данным табл. 21.

Таблица 21

Состав атмосферы, %	Uд в	Содержание в наплавленном металле
		[Н]сум, см3/100 г	[0]общ. %	[N], %	С, %	[С]-[0]р (расчет)
Воздух	26	13,1	0,038	0,021	0,11	0,0006
Аг+02	28	12,3	0,045	0,033	0,11	0,0007
(79:21)	28	13,1	0,034	0,014	0,09	0,0005
Аг+Н2	30	13,8	0,052	0,007	0,09	0,0007
(93:10)	28	24,2	0,041	0,017	0,09	0,0006
СО2	28	11,8	0,053	0,012	0,08	0,0006
	30	12,8	0,058	0,018	0,10	0,0009

Таблица 22

Состав атмсферы	Uд, в	Давление газов, атм	Наличие пор
		Рсо	РN2	pH2	pcум
Воздух	26	0,25	0,28	0,24	0,77	Нет
Аг+02	28	0,30	0,68	0,21	1,19	Есть
(79:21)	28	0,21	0,12	0,23	0,56	Нет
Аг+Н2	30	0,30	0,03	0,26	0,59	»
(90:10)	28	0,25	0,18	0,80	1,23	Есть
СО2	30	0,38	0,20	0,21	0,79	Нет

При сварке в атмосфере углекислого газа и в смеси аргона с кислородом суммарное скрытое давление газа ниже атмосферного и поры не образуются. Высокая концентрация водорода при сварке в смеси аргона с водородом приводит к значительному повышению его скрытого парциального давления, поэтому ответственным за возникновение пористости в этом случае следует считать водород.

Повышение скрытого парциального давления водорода, а следовательно, и склонность к пористости в рассмотренных случаях могут быть вызваны увлажнением сердечника проволоки. При увеличении влажности сердечника свыше 2% уже появляется опасность возникновения пор. Содержание водорода в металле при этом близко к стандартной растворимости его в жидком железе при температуре плавления (см. рис. 71).

Возрастание напряжения при сварке открытой дугой приводит к увеличению скрытого парциального давления азота, который и следует считать ответственным за пористость. Поэтому для предупреждения пористости надежная защита металла от воздуха для проволоки карбонатно-флюоритного типа играет исключительно важную роль. Шлаки, образующиеся при расплавлении такой проволоки, имеют высокую основность, плохо смачивают и покрывают металл.

При наличии нитридобразующих элементов в проволоке даже высокое содержание азота может не вызывать пористости, если концентрация этих элементов достаточна для связывания его в стойкие нитриды в жидком металле сварочной ванны. (Образование нитридов и связанные с этим проблемы свариваемости при высоком содержании азота рассмотрены в главе II.) Следует отметить, что в проволоке карбонатно-флюоритного и флюоритного типов трубчатой конструкции применение нитридобразователей является практически обязательным для получения беспористых швов, так как защита от азота в этом случае является нерешенной проблемой.

Применение проволоки сложной, особенно двухслойной конструкции всегда желательно с точки зрения снижения пористости швов, вызываемой азотом.

Ржавчина, окалина и влага на основном металле могут вызвать пористость металла швов при сварке под флюсом, в защитных газах или покрытыми электродами. Основную роль водорода в образовании пор в этом случае отмечают многие исследователи [62, 134, 137]. Определены количественные зависимости влияния ржавчины на склонность швов к пористости при сварке под флюсом. Стойкость швов против пор, вызванных ржавчиной или окалиной при сварке под флюсом, определялась по методике, предложенной К.В. Любавским [61, 63]. Эта методика предусматривает засыпку дозированных количеств ржавчины в канавку на металле, по которой выполняется сварка.

При сварке порошковой проволокой открытой дугой без дополнительной защиты и в углекислом газе указанная методика непригодна, так как дугой и потоком газов ржавчина выдувается из канавки. Для более равномерного распределения вносимой примеси и устранения возможности ее сдувания предложено [106] использование специальной порошковой проволоки, сердечником которой является ржавчина или окалина. Доведение количества примеси на единицу длины до заданного достигается изменением диаметра проволоки путем волочения. Сравнение предложенного способа с известным ранее при сварке под флюсом показало, что при использовании порошковой проволоки ржавчина используется более эффективно, чем при насыпании ее в канавку.

Методикой оценки стойкости против пор при сварке порошковой проволокой по ржавчине или окалине предусматривается использование составного образца для инициирования пористости. Образец собирается в жестком фиксирующем приспособлении без зазора между кромками. В канавку укладывается проволока с дозированным количеством ржавчины или окалины и производится сварка. Для выявления пор образец разрушается вдоль шва. Принято называть поры единичными при количестве их четыре и менее на 100 мм излома.

Данные оценки стойкости против возникновения пор и изменения химического состава металла шва при сварке по окалине проволокой карбонатно-флюоритного типа (ПП-АНЗ) приведены в табл. 23. Вследствие попадания окалины в зону шва повышается угар кремния и марганца, содержание кислорода при этом возрастает.

Таблица 23

Количество окалины, мг/100мм шва	Содержание,%	Наличие пор
	С	Мп	SI
340	0,12	0,91	0,31	Нет
1880	0,11	0,79	0,27	»
2600	0,13	0,56	0,28	»
3540	0,10	0,55	0,05	Единичные
4480	0,12	0,48	0,02	Много

При введении ржавчины в металле шва одновременно увеличивается содержание кислорода и водорода. Данные сравнительных испытаний проволоки ПП-АНЗ открытой дугой и СВ-08 при сварке под флюсом АН-348 (флюс прокален при 450 С) приведены в табл. 24.

Таблица 24

Количество ржавчины, мг/100 мм шва	Наличие пор при сварке
	под флюсом	порошковой проволокой
276	Нет	Нет
345	Единичные	»
690	»	»
1035	Много	»
1540	»	Единичные
2230	»	»
3080	»	Много

Сравнительные испытания показывают, что в рассмотренном случае стойкость против пор, вызванных ржавчиной, при сварке порошковой проволокой выше, чем при сварке под флюсом.

Сварка в углекислом газе. Причиной пористости при сварке порошковой проволокой в углекислом газе является увлажнение материалов сердечника проволоки, применение неосушенного газа, ржавчина на поверхности металла, а также недостаточный расход газа или сдувание струи защитного газа.

По сравнению со сваркой проволокой сплошного сечения в углекислом газе защита от азота более совершенна, так как имеется возможность дополнительно защитить расплавленный металл шлаком. Это подтверждают данные газового анализа металла, наплавленного электродами УОНИ-13, сплошной проволокой Св-08 Г2С и порошковой проволокой в сравнимых условиях (табл. 25).

Таблица 25

Марка электродов, проволоки	Диаметр, мм	Тип покрытия, сердечника	Содержание газов
			[N], %	[О]общ. %	[Н]сум, см'/100 г
УОНИ-13/55	4,0	Фтористо-кальциевое покрытие	0,01-0,018	0,025--0,03	4,2-6,7
Св-08Г2С	2,0	Рутил-флюоритный сердечник	0,008-0,020	0,06--0,09	3,0- 4,1
ПП-АН4	2,5	То же	0,008-0,015	0,025--0,040	3,0-6,3
ПП-АН9	2,5	Рутиловый сердечник	0,008-0,013	0,03--0,045	3,7-6,0
ПП-АН8	3,0	То же		0,06--0,085	6,5-8,4
ПП-АН10	2,0		0,008-0,015	0,04--0,07	4,4-6,6

Потенциальное содержание водорода в порошковой проволоке выше. Поэтому при сварке проволокой с рутиловым сердечником без применения специальных металлургических мер борьбы с водородом не удается всегда получать плотные швы. Главным средством борьбы с водородом является введение фтористых соединений. В проволоке рутил-флюоритного типа флюорита обычно бывает достаточно для обеспечения низких содержаний водорода в металле и высокой стойкости против пор. В сердечник проволоки рутилового типа часто необходимо вводить легкоразлагающиеся фториды. Для всех типов проволоки, применяющейся при сварке в углекислом газе, прокалка при температуре 240--250° С способствует удалению влаги из сердечника и органических материалов с поверхности проволоки.

Как видно из данных, приведенных в табл. 25, при сварке в углекислом газе порошковой проволокой обеспечивается низкое содержание газов в металле, благодаря чему возможно получение плотных швов и высокого качества металла.

3.2 Пути предупреждения пористости швов и сохранения свойств порошковой проволоки

Приведенный выше анализ роли отдельных факторов в процессе образования пор в сварных швах позволяет наметить некоторые пути металлургического и технологического характера, направленные на снижение вероятности возникновения пор при сварке. Кроме того, могут быть приняты меры, относящиеся к технике и общей технологии сварки, для избежания пористости при сварке конкретной проволокой и в определенных условиях. Описание их содержится в соответствующих разделах книги.

Поскольку основными газами, ответственными за возникновение пористости при сварке порошковой проволокой, являются азот и водород, рассмотрим пути борьбы с пористостью, вызываемой каждым из этих газов.

Пористость вызванная азотом. Выше указывалось, что эффективность защиты металла от воздуха принято оценивать по содержанию азота в металле шва или по диапазону напряжений сварки, в пределах которого отсутствует пористость. Последним показателем в значительной степени определяются технологические возможности проволоки и ее пригодность к широкому производственному применению, так как проволока с малым диапазоном рабочих напряжений требует высокой стабилизации рабочего напряжения дуги, что трудно обеспечить, особенно в условиях полуавтоматической сварки.

Увеличение количества защитных материалов в сердечнике проволоки является одним из путей снижения содержания азота в металле шва и расширения диапазона рабочих напряжений сварки. При сварке проволокой карбонатно-флюоритного и флюоритного типов такого же технологического результата можно достичь, легируя проволоку нитридобразующими элементами, например титаном и алюминием. Связывая азот еще в жидком металле в стойкие нитриды, титан и алюминий снижают его скрытое парциальное давление в металле сварочной ванны, предупреждая таким образом зарождение газовых пузырей.

Зависимости величины предельного напряжения дуги, при котором еще не возникает пористость, от содержания титана и алюминия в проволоке иллюстрируются рис. 79 и 80.

Рис. 79. Влияние титана на величину предельного напряжения дуги.

Рис. 80. Влияние алюминия на величину предельного напряжения дуги.

Применение описанного способа предупреждения пористости, вызываемой азотом, ограничено, так как наличие больших количеств титана, алюминия и азота в металле шва вызывает охрупчивание его (см. параграф 2.1).

Снизить содержание азота в металле шва можно путем рационального выбора состава газошлакообразующей части сердечника проволоки. Как было показано выше, состав газошлакообразующей части во многом определяет кинетику выделения защитного газа и образования шлакового расплава, способных защитить металл от контакта с атмосферой.

Одним из путей снижения содержания азота в металле шва является изменение конструкции порошковой проволоки. Результаты сравнительных испытаний проволоки различных конструкций показывают (рис. 81), что применение проволоки двухслойной конструкции взамен трубчатой позволяет расширить диапазон рабочих напряжений до уровня, достигаемого при использовании электродов с наружным покрытием. Состав сравниваемых материалов и условия испытаний описаны ранее (см. параграф 2.1).

Рис. 81. Диапазон рабочих напряжений сварки электродами и проволокой одинакового состава: а -- шлаковая система CaO-CaF_s-ТіОг-Si0₂-R₂O; б -- шлаковая система MgO-CaF₂-S1O₂-R₂O; 1 -- электрод; 2 -- порошковая проволока с углекислым газом при расчетном и удвоенном (штриховая линия) расходе газа; 3 -- самозащитная порошковая проволока трубчатой конструкции; 4 -- самозащитная порошковая проволока двухслойной конструкции.

При сварке порошковой проволокой с дополнительной защитой углекислым газом содержание азота в металле шва низкое (табл. 25). Защитная роль шлака, образующегося при плавлении сердечника, невелика. Пористость швов, вызванная азотом, как правило, возникает при нарушениях защитной атмосферы (недостаточный расход углекислого газа, чрезмерное повышение напряжения дуги, большое расстояние от сопла до сварочной ванны, сдувание струи газа и т. п.).

Пористость, вызванная водородом. Обеспечение минимального содержания водорода при сварке проволокой карбонатно-флюоритного типа открытой дугой и при сварке в углекислом газе является одной из решающих мер предупреждения пористости.

Поскольку основным источником, поставляющим водород в дугу, является влага, находящаяся в сердечнике проволоки, следует стремиться к обеспечению минимальной влажности материалов сердечника проволоки. Снизить влажность готовой порошковой проволоки можно низкотемпературной прокалкой ее при температуре 230--250° С. К этому часто прибегают при использовании длительно хранящейся проволоки. Положительные результаты, однако, достигаются лишь в том случае, если при хранении проволоки не произошло необратимой коррозии металла оболочки и металлических порошков сердечника.

Наличие в сердечнике проволоки легкоразлагающихся кремне-фторидов является эффективным средством снижения содержания водорода, поэтому проволока с кремнефторидами, как правило, менее чувствительна к увлажнению сердечника. Этот путь борьбы с пористостью, вызываемой водородом, применим в композициях проволоки всех типов, за исключением рутил-органического.

При сварке проволокой рутил-органического типа снизить вероятность образования пористости можно, создав условия для повышенного поглощения водорода на стадии капли и интенсивного его выделения из ванны при температурах, превышающих температуру начала кристаллизации. Такие условия создаются при увеличении парциального давления водорода в атмосфере дуги. Для промышленных марок порошковой проволоки эта задача решена путем введения в сердечник минералов, имеющих в своей структуре кристаллизационную воду. Благодаря этому же не возникает пористость при сварке по ржавому металлу.

Введение дозированного количества влаги предотвращает также восстановление кремнезема сердечника и переход кремния в металл. Повышение концентрации водорода и снижение содержания кремния в ванне интенсифицируют процесс выделения газов и обеспечивают удаление значительных количеств водорода и азота из сварочной ванны до начала ее кристаллизации.

Увлажнение сердечника и коррозия порошковой проволоки. Порошки, входящие в состав сердечника проволоки, имеют развитую поверхность, на которой может адсорбироваться значительное количество влаги. Увлажнение сердечника при хранении сопровождается ржавлением оболочки и железного порошка, что ухудшает сварочно-технологические свойства проволоки и, в ряде случаев, делает ее непригодной для дальнейшего использования.

Для уменьшения гигроскопичности и сохранения качества при хранении дисперсных материалов с повышенной сорбционной способностью применяют гидрофобизацию с помощью кремний-органических соединений. Гидрофобизатором для шихт порошковых проволок может служить полиэтилгидросилоксановая жидкость ГКЖ-94 (C₅H₅Si(HO)_n) [83]. Гидрофобизацию шихты производят в мельнице в течение 30-60 мин. Повышение гидрофобности шихты наблюдается уже при содержании ГКЖ-94 0,08-0,15%. При этом улучшается сыпучесть шихты.

После выдержки обработанной и контрольной шихты в гидростате над насыщенным раствором азотнокислого свинца обнаружено, что влажность В обработанной шихты в течение нескольких суток хранения не изменяется (рис. 82). Технологические испытания порошковой проволоки, заполненной контрольной и обработанной шихтой, показали, что свойства одной и другой проволоки непосредственно после изготовления отличаются незначительно, но у проволоки с обработанной шихтой свойства несколько хуже. Однако после двух суток хранения в атмосфере с влажностью 91 % при сварке проволокой с контрольной шихтой в металле швов появилась пористость. Проволока с обработанной шихтой сохранила свои свойства даже после недели хранения в аналогичных условиях.

Рис. 82. Влияние гидрофобизации на кинетику увлажнения шихты при хранении во влажной атмосфере: 1 -- шихта не обработана; 2 -- обработка 0.08% ГКЖ-94; 3 - обработка 0,15% ГКЖ-94.

Эти данные свидетельствуют о том, что гидрофобизация шихты порошковой проволоки дает возможность улучшить технологический процесс изготовления проволоки, благодаря сохранению длительное время высокой сыпучести шихты, и снизить гигроскопичность проволоки при хранении. Недостатком этого способа является некоторое ухудшение технологических свойств проволоки.

Для длительно хранящейся проволоки требуется герметичная упаковка. Контакт проволоки с атмосферой приводит к увлажнению сердечника и коррозии металлических составляющих. Для защиты металлических составляющих проволоки при длительном хранении предложено использовать парофазные ингибиторы коррозии [5, 129].

Особенностью парофазных ингибиторов коррозии является потеря способности замедлять коррозию при разгерметизации рабочего пространства. Механизм действия парофазных ингибиторов заключается в образовании на поверхности металла адсорбционной пленки, защищающей его от воздействия воды и кислорода воздуха. Рабочим пространством действия ингибитора в порошковой проволоке является ее оболочка.

Хорошим защитным действием обладают такие ингибиторы, как нитрит дициклогексиламина (НДА), карбонат и хромат циклогексиламина (соответственно КЦА и ХЦА). Указанные ингибиторы способны насытить большой объем, разлагаются они несколько лет, поэтому в порошковую проволоку их вводят в очень малых количествах (примерно 0,1%). Хранение проволоки с ингибиторами без упаковки на складе и в камере искусственного климата (атмосфере «морского тумана)» показало (табл. 26), что такой путь предупреждения коррозии проволоки является эффективным и надежным. Так, после пяти суток хранения в камере искусственного климата проволока с ингибитором в сердечнике не имела следов коррозии и сохранила свои свойства, в то время как контрольная проволока после суток хранения полностью потеряла свои свойства.

Таблица 26 Наличие ржавчины в проволоке ПП-АНЗ после, хранения

Ингибитор	в камере искусственного климата, сутки	в крытом складе, месяцы
	1	2	3	4	0,5	1	6
-	Следы	Есть	Много	-	Следы	Следы	Много
КЦА	Нет	Нет	Нет	Нет	Нет	Нет	Следы
НДА	»	»	»	Следы	»	»	»

Примечание. «Следы» означает отдельные очаги коррозии на поверхности оболочки и частицах железного порошка; «есть»--поверхность оболочки покрыта тонким слоем ржавчины, налет ржавчины на частицах железного порошка; «много»--ржавчина на поверхности оболочки и частицах порошка, проволока непригодна для сварки.

Глава IV. Сварочные порошковые проволоки и их производство

4.1 Самозащитная порошковая проволока

К самозащитной порошковой проволоке предъявляется ряд требований, от выполнения которых зависит возможность ее широкого производственного применения. К числу этих требований относится обеспечение высокой производительности процесса, широкого диапазона рабочих режимов сварки, хорошего формирования швов и отделимости шлаковой корки, малых потерь металла на разбрызгивание, высоких механических свойств металла шва, благоприятных гигиенических характеристик и др. Помимо этого, проволока должна быть технологичной в изготовлении.

Общим для всех видов порошковой проволоки требованием является обеспечение равномерности плавления сердечника и оболочки. Для проволоки трубчатой конструкции выполнение этого требования можно обеспечить увеличением доли металлических порошков в сердечнике, выбором легкоплавких композиций шлако-образующей части, уменьшением толщины оболочки.

Ограничение количества газообразующих материалов, которые можно ввести в сердечник, и их неблагоприятное расположение по отношению к металлу оболочки не позволяют при сварке проволокой трубчатой конструкции достичь хорошей защиты расплавленного металла от воздуха. Использование проволоки двухслойной конструкции позволяет эффективно защитить расплавленный металл от воздуха и обеспечить высокие механические свойства металла шва.

Металлургические процессы при сварке открытой дугой порошковой проволокой определяются композицией сердечника. Как показали исследования процессов, происходящих при нагреве и плавлении сердечника, большие объемы и равномерное выделение газов из сердечника и раннее образование шлакового расплава улучшают условия защиты зоны дуги от воздуха. Композиция сердечника проволоки должна обеспечивать сочетание защитных свойств с благоприятными сварочно-технологическими свойствами, хорошей рафинирующей способностью шлаков, достаточной раскисленностью и легированием металла, высокой стойкостью против трещин и пор. Разработанные составы сердечников порошковой проволоки промышленных марок являются оптимальными, в той или иной мере удовлетворяющими перечисленные выше требования.

Для сварки открытой дугой нашла применение самозащитная порошковая проволока с сердечником преимущественно двух типов -- рутил-органического и карбонатно-флюоритного.

Проволока рутил-органического типа. По составу сердечник проволоки рутил-органического типа подобен электродам с покрытием рутилового типа. Шлакообразующую основу сердечника составляют рутиловый концентрат и алюмосиликаты -- полевой шпат, слюда, гранит. Газообразующим материалом служат целлюлоза, крахмал и другие органические материалы. В качестве раскисли-теля используется преимущественно ферромарганец. Как было показано выше, использование сильных раскислителей, таких как кремний, титан или алюминий, значительно снижающих скорость десорбции водорода из сварочной ванны, в проволоке этого типа приводит к пористости металла шва. Поэтому легирование возможно лишь элементами, обладающими малым сродством к кислороду. Марганец часто используется для раскисления и легирования одновременно. Проволока рутил-органического типа применяется преимущественно для сварки малоуглеродистых конструкционных сталей.

Стабильность горения дуги поддерживается благодаря наличию в сердечнике силикатов калия или натрия (силикатная глыба) или, например, двухромовокислого калия. Значительную долю сердечника составляет железный порошок. При увеличении доли железа, вносимого в металл сварочной ванны, возрастают производительность и коэффициент наплавки. Увеличение толщины металла оболочки приводит к перегреву металла капель, возрастают потери металла на разбрызгивание, что снижает производительность наплавки. Коэффициенты расплавления и наплавки возрастают с увеличением сварочного тока и остаются практически одинаковыми при изменении напряжения дуги в пределах применяемого диапазона.

Состав металла, наплавленного проволокой рутил-органического типа, близок к составу полуспокойной стали. Изменение сварочного тока мало сказывается на содержании марганца, кремния и углерода в металле шва. С увеличением напряжения дуги снижается содержание марганца и, в меньшей степени, углерода и кремния (табл. 27).

Таблица 27

	Содержание в металле наплавки, %
Uд, в	С	Мп	Si	S	р
21	0,08	0,88	0,09	0,020	0,022
23	0,08	0,69	0,08	0,022	0,022
25	0,06	0,65	0,07	0,022	0,022
27	0,05	0,59	0,07	0,022	0,022

Примечание. Проволока ПП-AHl /_CB = 280ч300 a.

Образующиеся при сварке проволокой рутил-органического типа шлаки содержат большое количество окислов титана и кремния. Такие шлаки можно отнести в первом приближении к системам ТiO₂ -- Si0₂ -- А1₂0₃; ТiO₂ -- Si0₂ -- MgO с преобладающим содержанием Тi0₂. На рис. 83 приведена диаграмма плавкости тройной системы Ті0₂ -- Si0₂ -- А1₂0₃ с заштрихованной на ней областью технологичных шлаков. Шлаки с высоким содержанием А1₂0₃ и Si0₂ не обеспечивают хороших сварочно-технологических свойств проволоки. Если при расплавлении проволоки образуются шлаки, близкие по составу к эвтектическим, наблюдается хорошее формирование металла шва и легкая отделимость шлаковой корки с его поверхности.

Рис. 83. Диаграмма плавкости шлаковой системы ТiO₂-- Si0₂--A1₂0₃.

Высокое содержание водорода в проволоке и недостаточно эффективная защита расплавленного металла от воздуха приводят к тому, что металл шва, выполненный проволокой рутил-органического типа, содержит относительно большое количество газов. Он в значительной мере загрязнен включениями, преимущественно оксидного характера. Эти факторы отрицательно сказываются на механических свойствах металла шва и сварного соединения. Тем не менее при сварке проволокой этого типа обеспечивается получение механических свойств металла на уровне, достигаемом при использовании электродов с руднокислым или рутиловым покрытием.

Высокое содержание диффузионного водорода в металле шва приводит к тому, что при испытаниях на растяжение и изгиб непосредственно после сварки (в течение 1--4 суток после сварки) часто в изломе образцов наблюдаются флокены. С увеличением времени вылеживания образцов этот дефект исчезает. Поэтому перед испытаниями, сопровождающимися медленной пластической деформацией металла (растяжение, загиб), образцы рекомендуется подвергать термообработке по режимам, обусловленным ГОСТ 9466--60 для рутиловых электродов (выдержка 6 ч при 200 ⁰С или кипячение в воде в течение 24 ч).

Гигиенические характеристики проволоки рутил-органического типа оцениваются по общему количеству сварочного аэрозоля и по содержанию в нем марганцовистых соединений. Эти показатели у порошковых проволок ниже, чем у электродов с покрытием аналогичного типа.

Сварка проволокой рутил-органического типа выполняется на постоянном токе обратной полярности, хотя имеется принципиальная возможность сварки на переменном токе. Проволока этого типа характеризуется хорошими сварочно-технологическими свойствами, относительно небольшим проваром основного металла, малой склонностью к пористости при наличии окалины, ржавчины и увлажнении поверхности свариваемого металла, что делает предпочтительным ее применение при выполнении сварочных работ на открытых площадках и монтаже. Основной недостаток проволоки -- ограниченная производительность, связанная с ухудшением качества швов и образованием пористости при сварке токами высоких плотностей. Отмеченные благоприятные особенности позволяют рекомендовать проволоку рутилового типа взамен электродов типа Э42Р, Э46Р, Э42Т, Э46Т диаметром 4--5 мм.

К проволоке рутил-органического типа относится проволока марок ПП-АЩ [102], ПП-1ДСК,ПВС-1С [1251, ПВС-1Л [1381.ПВС-3.

Проволока ПП-АН1 (диаметром 2,8 мм) предназначена для сварки швов в нижнем или наклонном положении. Рекомендуемые режимы сварки: сила тока 200--350 а, напряжение дуги -- 24--28 в, скорость подачи проволоки до 180 міч. В пределах рекомендуемых режимов сварки обеспечивается хорошее формирование шва, легкая отделимость шлаковой корки и небольшое разбрызгивание металла.

Типичный химический состав наплавленного металла: 0,06-- 0,10% С; 0,6--0,8% Мп; 0,07--0,15% Si; S и Р-- не выше 0,035% каждого из них. Содержание кислорода не превышает 0,1%, азота -- 0,04%, а остаточного водорода -- 3*4 см³/100 г. Общее содержание водорода в металле шва непосредственно после сварки составляет 20--32 см³/100 г.

Многократные испытания механических свойств металла шва и сварного соединения, выполненных проволокой ПП-АН1, показывают, что она отвечает требованиям, предъявленным к электродам типа Э50 (рис. 84).

Рис. 84. Частотные диаграммы испытаний механических свойств металла швов, выполненных проволокой ПП-АН1 промышленных партий (v -- частота случаев).

Ударная вязкость сохраняется на достаточно высоком уровне при низких температурах испытания и после старения (рис. 85).

Рис. 85 Влияние температуры испытаний на ударную вязкость металлы шва, выполненного проволокой ПП-АН1 (I_св=250а, U_д=25в): 1 - в состоянии после сварки; 2 - после искусственного старения.

При сварке проволокой ПП-АН1 получаются швы, стойкие против обр азования кристаллизационных трещин.

В табл. 28 приведена гигиеническая оценка проволоки ПП-АН1. Очевидно, что по количеству пыли и окислов марганца, выделяющихся при сварке, эта проволока менее токсична, чем электроды ОММ-5 и ЦМ-7.

Таблица 28

Марка электрода (проволоки)	Диаметр, мм	І св, а	Валовое количество на 1 кг расплавленных электродов (проволоки), мг
			пыли	окислов марганца
ОММ-5	4	200	12000	1700
ЦМ-7	6	350	48697	4297
ПП-АН1	2,8	300	10400	700

Широкие производственные испытания показали, что проволоку ПП-АН1 можно эффективно использовать взамен электродов ру-тилового и руднокислого типов диаметрами 4 и 5 мм. При токах 200 и 350 а коэффициент наплавки соответственно составляет 10,0 и 13,5 г/ач. Производительность наплавки достигает 5 кг/ч. Сварка проволокой ПП-АН1 применяется в металлургии, строительстве, на транспорте, в сельскохозяйственном машиностроении и т. д. Конструкция проволоки ПП-1ДСК 125] отличается загибом одного края ленты (см. рис. 4, г); изготавливается диаметрами 1,8-2,2 мм и 2,5-3,0 мм. Предназначена для сварки в нижнем положении и на вертикальной плоскости (в последнем случае используется проволока диаметром 1,8-2,2 мм). Поскольку композиция сердечника этой проволоки близка к композиции сердечника ПП-АН1, химический состав наплавленного металла и содержание в нем газов находятся практически в тех же пределах. Механические свойства металла шва и сварного соединения также отличаются незначительно, по этому показателю проволока ПП-1ДСК соответствует электродам типа Э50Т.

Рекомендуемая сила тока 140--350 а; коэффициент наплавки изменяется от 9 до 13,5 г/ач в зависимости от силы тока.

Благодаря возможности вести сварку на вертикальной плоскости эта проволока широко применяется при монтаже строительных металлоконструкций.

Проволока ПВС-1С разработана для сварки стыков магистральных трубопроводов [125], а ПВС-1Л, близкая к первой по составу и характеристикам, -- для применения при ремонте и постройке судов внутреннего плавания [138]. Диаметр проволоки 1,6--2,0 мм, конструкция трубчатая. Рекомендуемая сила тока для проволоки диаметром 1,6 мм составляет 140--180 а, а для проволоки 2,0 мм -- 150--200 а.

По сравнению с другими видами проволоки рутил-органического типа проволоки ПВС-1С и ПВС-1Л дают при сварке шлаки с большей основностью благодаря наличию в сердечнике окиси магния. Типичный состав наплавленного металла: 0,07--0,11% С; 0,6-0,7% Мп; 0,03-0,08% Si; 0,017-0,025% S и 0,014--0,02% Р. Механические свойства металла шва и сварного соединения при сварке стали МСт.З находятся в таких пределах: а_в = 45 ч52 кГ1мм^г, д = 18 ч24% ; при 20° С а_н= ...