Сварка порошковой проволокой

Влияние концентраций алюминия и титана на механические свойства металла шва рассмотрено выше. При высоких напряжениях дуги в металле швов, легированных титаном или алюминием, фиксируются значительные количества азота в виде нитридов титана или алюминия. Как было показано в главе II, высокое содержание легирующих и азота в металле шва резко снижает пластические свойства металла. Поэтому содержание данных элементов в металле шва необходимо строго контролировать.

Легирование титаном и алюминием порошковой проволоки карбонатно-флюоритного типа можно выполнять двумя способами.

Первый из них состоит в добавлении небольших количеств титана и алюминия. В этом случае содержание легирующих в металле шва далеко от «критического», благодаря чему обеспечиваются его высокие механические свойства. Однако такое содержание нитрид-образующих в проволоке оказывается недостаточным для связывания азота, когда напряжение дуги превышает номинальное, вследствие чего шов поражается порами. Технологические возможности применения такой проволоки для полуавтоматической сварки открытой дугой ограничены. Второй способ -- введение в проволоку нитридобразующих в количествах, предотвращающих пористость в диапазоне наблюдающихся на практике колебаний напряжения. Эта проволока обладает хорошими технологическими свойствами и проста в применении. Содержание титана или алюминия в металле швов, наплавленном такой проволокой, в определенных условиях может достигать «критических» значений. В случае сварки при большем, чем рекомендовано, напряжении возрастает содержание азота в металле шва, что резко снижает его пластичность. Поэтому такая проволока рекомендуется лишь для сварки однослойных швов, у которых достаточно большая доля основного металла, а содержание нитридобразующего редко превосходит «критическое» значение.

Легирование титаном и алюминием используется в композициях таких марок проволоки, как ПП-АН2, ЭПС-15, ПП-АН6, ПП-2ДСК. В сердечник проволоки ПП-АН2 1109] и ЭПС-15 128] ферротитан вводится в количестве, достаточном для получения в металле шва не более 0,2% титана. ВпроволокеП П-А Н 6, предназначенной для выполнения однослойных швов, содержание титана несколько выше, благодаря чему обеспечивается больший диапазон рабочих напряжений (например, в случае приварки трубок к трубным решеткам теплообменных аппаратов).

В проволоке ПП-2ДСК 152] используется легирование алюминием в количествах, не превышающих «критической» концентрации.

Применение двухслойной конструкции проволоки и комплексной газовой защиты, как было показано выше, обеспечивает при сварке проволокой карбонатно-флюоритного типа широкий диапазон режимов без опасности возникновения пор, исключая необходимость в использовании титана или алюминия. Поэтому при сварке открытой дугой самозащитной проволокой двухслойной конструкции (ПП-АНЗ, ПП-АН7, ПП-АН11) во всем диапазоне рабочих напряжений дуги обеспечиваются высокие механические свойства металла шва и сварного соединения. В табл. 29 приведены данные, полученные в результате испытаний механических свойств металла швов, выполненных проволокой ПП-АН3 на различных токах при крайних значениях рекомендуемых напряжений дуги.

Таблица 29

Режим сварки	у, кГ/мм2	ув, кГ/мм2	у,%	Ш ,%	ан, кГм/см
UД .в	І'св, а
23--24	360--380	42,4--48,0	55,8-58,6	22,6--26,1	45,9-67,0	16,4--21,1
29--30		36,7--44,0	50,5-56,4	20,2-26,5	67,9-69,8	19,9--30,6
25--26		40,3--43,0	53,3-57,5	21,1-28,2	64,0-69,8	20,5--24,2
29--31	450-460	41,4--42,0	53,7-53,8	24,3-24,3	69,8-69,8	16,1--18,7

Металл шва, выполненного порошковой проволокой карбонатно-флюоритного типа, хорошо раскислен, содержание водорода в нем невелико. Механические свойства металла шва находятся на уровне, достигаемом обычно при сварке электродами фтористокальциевого типа.

Применение проволоки этого типа, как правило, требует очистки свариваемого металла от ржавчины и загрязнений. Недопустимо также увлажнение или ржавление сердечника.

Сварка порошковой проволокой карбонатно-флюоритного типа выполняется на постоянном токе обратной полярности. Основные показатели различных марок порошковой проволоки этого типа, выпускаемых в промышленном масштабе, приведены в табл. 30.

Порошковая проволока ПП-АН3 предназначена для полуавтоматической и автоматической сварки малоуглеродистых конструкционных и низколегированных сталей при нижнем или наклонном положении швов. Изготовляется двухслойной конструкции диаметрами 3,0 и 2,8 мм. При сварке во всем диапазоне рекомендуемых режцмов обеспечиваются свойства металла шва и сварного соединения на уровне, соответствующем свойствам электродов типа Э50А-Ф (рис. 89).

Таблица 30

Марка	Диаметр, мм	Рекомендуемые положения сварки	ув, кГ/ммг	д. %	aн кГм/см1	Рекомендуемые режимы сварки	Производительность наплавки, г/мин
						Icв- a	UД ,в
ПП-АНЗ	3,0	н	50--56	24--30	14--18	350--500	25--30	120--180
ПП-АН7	2,3	н, г, в	50--55	21--26	13--17	160--300	20--26	70--110
ПП-АН11	2,0	н, г, в, п	52--56	23--28	14--18	150--300	20--26	80--120
ЭПС-15/2	2,5	н	50--55	20--25	13--17	320--420	24--30	120--150
ПП-2ДСК	2,3	н, г	48--52	22--30	14--17	340--450	25--32	100--130

Примечание. н---нижнее положение, г--горизонтальное на вертикальной плоскости, в--вертикальное, п--потолочное.

Рис. 89. Механические свойства металла шва и сварного соединения, выполненного проволокой ПП-АНЗ на различных токах

Типичное содержание примесей в металле, наплавленном проволокой ПП-АНЗ: 0,07--0,12% С; 0,7--1,3% Мп; 0,2--0,45% Si; содержание S, Р и N не более 0,03% каждого. На рис. 90 приведены диаграммы, характеризующие стабильность химического состава металла, наплавленного проволокой производственных партий. При сварке проволокой ПП-АНЗ обеспечивается низкое содержание газов в металле. Общее содержание водорода, определенного методом наплавки на составной образец, -- 4,5--7,0 см³/100 г; типичное содержание кислорода в металле шва -- 0,04-0,06%. Механические свойства металла шва и сварного соединения, выполненных проволокой ПП-АНЗ на различных сталях, приведены в табл. 31. Статическая и динамическая прочность швов, выполненных указанной проволокой, соответствует таковым при сварке электродами с покрытием карбонатно-флюоритного типа. Это подтверждается многочисленными испытаниями. Так, на рис. 91 приведено сравнение усталостной прочности сварных соединений, выполненных из стали 09Г2 проволокой ПП-АНЗ и электродами У-55. Испытывались круглые и плоские образцы при симметричном цикле нагружения. В табл. 32 приведены результаты испытаний сварных соединений на одиночный удар. Испытания проводились на тавровых образцах с накладками.

Рис. 90. Частотные диаграммы содержания элементов в наплавленном металле по результатам испытаний 200 производственных партий проволоки ПП-АНЗ (v -- частота случаев).

Таблица 31

Марка свариваемой стали	ув, кГ/мм2	д, %	ан, кГм/см' при t,°С
			+20	--40	+20 после искусственного старения
МСт-3 09Г2 14Г2 10ХСНД 15ХСНД 10Г2СД					-

Примечание. В числителе указаны крайние, а в знаменателе--средние значения для 3--4 разрывных образцов и 6--14 образцов при испытании на ударный изгиб с надрезом Менаже. Старение заключалось в 10%-ной деформации растяжением с последующим отпуском при 250° С в течение 2 ч.

Рис. 91. Усталостная прочность сварных соединений, выполненных порошковой проволокой ПП-АНЗ (/) и электродами У-55 (2): а -- круглые образцы; б -- плоские образцы (N --число циклов).

Таблица 32

Проволока (электрод)	Число ударов до разрушения при температуре, °С
	+20	-20	--40	--60
ПП-АНЗ У-55			--

Проволока ПП-АНЗ отличается высокой стойкостью против образования кристаллизационных трещин и пор. Недостатком ее является повышенная гигроскопичность сердечника, что требует обязательного применения герметичной упаковки. Эту проволоку рекомендуется применять при изготовлении узлов и деталей машин, а также металлоконструкций, обычно свариваемых электродами диаметром 4--6 мм типов Э50А и Э50.

Проволока ПП-АНЗС является модификацией рассмотренной и предназначена для специальных видов сварки, в частности для автоматической сварки с полупринудительным и принудительным формированием швов, расположенных на вертикальной плоскости (см. далее параграф 5.2). Композиция сердечника этой проволоки отличается от композиции сердечника ПП-АНЗ несколько большим содержанием фторидов, что обеспечивает получение плотных швов при больших размерах сварочной ванны. При этом механические свойства металла шва и сварного соединения сохраняются на высоком уровне. Так, при испытании горизонтального стыкового соединения из стали 09Г2С толщиной 20 мм (автоматическая сварка с полупринудительным формированием) получены следующие результаты: у_в = 58,0 ч 58,6 кГ1мм^г, д=26,7ч28,4%; при 20°С а_н= 18,8ч21,0 кГм/см²; при --40°С aн = 11,9ч13,4 кГм/см².

Проволока ПП-АН 7 пред-назначена для полуавтоматической сварки открытой дугой конструкций из малоуглеродистых конструкционных и низколегированных сталей. Возможна сварка в нижнем положении и на вертикальной плоскости. Проволока ПП-АН7[110,124] изготовляется двухслойной конструкции диаметрами 2,0 и 2,3 мм. Рекомендуется для сварки металла толщиной более 3 мм. При сварке во всем диапазоне рекомендуемых режимов обеспечиваются свойства металла шва и сварного соединения, соответствующие таковым при сварке электродами типа Э50А-Ф. На рис. 92 приведены частотные диаграммы показателей механических свойств металла шва, построенные по данным испытаний 100 партий проволоки.

Рис. 92. Частотные диаграммы результатов испытаний механических свойств металла швов, выполненных проволокой ПП-АН7 (v -- частота случаев).

В табл. 33 приведены результаты испытаний механических свойств металла шва и сварного соединения, выполненных на различных сталях проволокой ПП-АН7 в нижнем положении и на вертикальной плоскости.

Таблица 33

Химический состав металла, наплавленного проволокой ПП-АН7: 0,08--0,13% С; 0,7--1,3% Мп; 0,2--0,5% Si; содержание S, Р и N не более 0,03% каждого; [Н]_сум= 5,5ч8,0 см³/100 г.

Проволоку ПП-АН7 рекомендуется применять при изготовлении металлоконструкций, обычно свариваемых электродами типа Э50А диаметром 4--5 мм. Основными потребителями этой проволоки являются монтажные организации, использующие проволоку на специальных производственных базах и на монтаже. Эта проволока применяется также для некоторых специальных видов сварки. Так же, как и проволоку ПП-АНЗ, ее рекомендуется хранить герметически упакованной.

Проволока ПП-АН11 предназначена для полуавтоматической сварки открытой дугой конструкций из малоуглеродистых конструкционных и низколегированных сталей при любых пространственных положениях швов. Конструкция -- двухслойная. Изготавливается диаметрами 2,0 и 2,4 мм. В последнем случае возможность сварки вертикальных и потолочных швов ограничена. Рекомендуется для сварки металла толщиной более 3 мм.

Шлакообразующая часть сердечника обеспечивает при расплавлении высокую основность шлаков. В проволоке отсутствуют гигроскопичные материалы, в то же вре.я содержание газообразующих материалов достаточно высокое, что исключает необходимость использования нитридобразователей.

Указанные особенности композиции сердечника позволяют получить при сварке этой проволокой шлак с хорошими физическими свойствами, препятствующий стеканию металла с вертикальной плоскости. Проволокой ПП-АН11 можно выполнять сварку вертикальных швов способом сверху вниз. Организация надежной защиты металла от воздуха, достаточная степень раскисленности, высокая основность шлака предопределяют при сварке этой проволокой получение высоких механических свойств металла шва и сварного соединения (табл. 34).

Таблица 34

Марка свариваемой стали	ув, кГ/мм	д %	ан,кГм/см2, при t°С
			20	--40	-60
МСт.3сп 09Г2

Примечание. Толщина металла 12 мм. Режим сварки: I_св=250ч260 a; U_д=26ч27 в.

Содержание примесей в наплавленном металле: 0,9--0,14% С; 0,9--1,5% Мп; 0,25--0,5% Si; S и Р не более 0,025% каждого; 0,015--0,025% N; 0,030--0,042% [0]об_Щ; [Н]_сум (после сварки) = = 4,0 ч 5,5 см³/100 г.

Механические свойства металла шва и сварного соединения, выполненных проволокой ПП-АН11, находятся на уровне, достигаемом при сварке фтористокальциевыми электродами типа Э50А-Ф или Э55А-Ф. Применение проволоки взамен электродов этого типа с диаметром стержня 4--5 мм позволяет значительно повысить производительность сварочных работ. Благодаря возможности сварки в различных пространственных положениях эта проволока является весьма перспективной для использования в монтажных условиях в судостроении и строительстве.

Проволока ЭПС-15 [28] предназначена для сварки металлоконструкций из малоуглеродистых конструкционных и низколегированных сталей при нижнем положении швов. Изготовляется в нескольких конструктивных вариантах. Наиболее распространенная модификация ЭПС-15/2 выполнена с загибом двух кромок ленты внутрь (см. рис. 4, д). Диаметр проволоки 2,4-2,6 мм. При сварке этой проволокой на оптимальных режимах обеспечиваются такие же свойства металла шва и сварного соединения, как и в случае применения электродов типа Э50А. При этом требуется строгое соблюдение режимов сварки по напряжению и особой техники сварки (повышенный вылет).

Проволока ПП-2ДСК [52] предназначена для полуавтоматической сварки металлоконструкций из малоуглеродистых конструкционных и низколегированных сталей при нижнем положении швов. Может применяться также для выполнения заполняющих разделку слоев горизонтальных швов на вертикальной плоскости. Выпускается диаметром 2,3 мм. Конструкция проволоки - с загибом одной кромки ленты (см. рис. 4, г).

Проволока марки ПП-2ДСК при сварке на оптимальных режимах обеспечивает показатели механических свойств металла шва и сварного соединения на уровне показателей этих свойств при сварке электродами Э50А. Требуется применение специальной техники сварки (повышенный вылет).

Проволоки ПП-АН6 и ПП2-ПСК. применяются для специальных целей; они будут рассмотрены в следующей главе.

Порошковые проволоки карбонатно-флюоритного типа ПП-АШ2, СП-1 и СП-2 для сварки вертикальных швов осваиваются промышленностью, определяется область рационального применения их.

4.3 Порошковая проволока для сварки в углекислом газе

Углекислый газ является эффективным средством защиты от влияния воздуха жидкого металла при дуговой сварке. В настоящее время сварка в углекислом газе -- наиболее распространенный способ механизированной сварки. Он отличается высокой производительностью (в несколько раз превышающей производительность ручной дуговой сварки), дешевизной, простотой, возможностью выполнения сварочных работ в различных пространственных положениях в широком диапазоне толщин свариваемых сталей. Сварка в углекислом газе широко применяется при изготовлении металлоконструкций из малоуглеродистых конструкционных и легированных сталей.

При сварке сталей общего назначения в качестве электродного материала обычно используется проволока сплошного сечения, легированная марганцем и кремнием, чаще всего марки Св-08Г2С.

Наряду с перечисленными выше преимуществами сварки проволокой Св-08Г2С в углекислом газе следует отметить и существенные недостатки -- повышенное разбрызгивание электродного металла и посредственный внешний вид швов, выполненных проволокой диаметром 1,6-2,0 мм в диапазоне наиболее употребляемых сварочных токов (250-400 а), повышенную прочность металла шва и в ряде случаев недостаточную его пластичность.

Неблагоприятные сварочно-технологические свойства проволоки Св-08Г2С в значительной степени связаны с крупнокапельным переносом электродного металла и неустойчивостью дуги при сварке на малых плотностях тока. При увеличении плотности тока резко возрастает коэффициент наплавки и ухудшается формирование швов. Уменьшить размеры капель электродного металла и повысить устойчивость горения дуги можно при использовании проволоки малого диаметра (0,8--1,2 мм).

Мелкокапельный и даже струйный перенос электродного металла удается получить при нанесении на поверхность проволоки активирующих веществ [16, 42]. Однако широкого промышленного применения активирование проволоки пока не получило из-за неблагоприятной формы и ухудшения механических свойств сварных швов.

Одним из наиболее эффективных средств улучшения процесса сварки в углекислом газе является применение порошковой проволоки. При введении в сердечник материалов с низким потенциалом ионизации повышается устойчивость горения дуги даже при применении проволоки больших диаметров (3-4 мм и выше). Подбором композиции шлака можно достичь благоприятного переноса электродного металла и обеспечить минимальное его разбрызгивание.

Поскольку активное пятно дуги находится на оболочке проволоки, нагрев основного металла при сварке порошковой проволокой, в отличие от сварки проволокой сплошного сечения, менее концентрированный. Это дает возможность получить благоприятную форму швов при высоких скоростях плавления металла. Процесс сварки порошковой проволокой в углекислом газе происходит, как правило, без коротких замыканий.

Некоторые металлургические особенности сварки порошковой проволокой в углекислом газе. При сварке порошковой проволокой в углекислом газе жидкий металл защищен от воздуха как самим защитным газом, так и шлаком, образующимся при плавлении сердечника проволоки.

Углекислый газ в условиях дугового разряда является активной средой по отношению к жидкому металлу. Диссоциируя по уравнению

2С0₂ = 2СО + 0₂ (66)

он обладает сильным окислительным действием и, в отличие от инертных газов (Аг, Не), выполняет не только защитные функции, но и сам активно участвует в металлургических процессах.

Степень диссоциации углекислого газа зависит от температуры. Константа равновесия реакции (66) в зависимости от температуры выражается уравнением

(67)

Углекислый газ начинает заметно диссоциировать при нагреве до температуры 1800°К; диссоциация заканчивается при температуре выше 4000°К.

Практически в различных зонах дуги присутствуют С0₂, СО, О₂ и О.

В табл. 35, по данным [36], приведен расчетный состав равновесной газовой смеси, образующейся в результате диссоциации С0₂ при условии, что сумма парциальных давлений компонентов в дуге составляет 1 атм. В высокотемпературных областях дуги реакция (66) идет вправо с образованием окиси углерода и кислорода, а в «холодных» зонах -- влево с образованием двуокиси углерода.

Таблица 35 Парциальное давление газов при температуре, ⁰ К

	1500	2000	2500	3000	3500	4000	5000	6000	8000
СО2	1,0	0,985	0,92	0,70	0,34	0,06	0,0	0,0	0,0
О2	0,0	0,005	0,03	0,09	0,14	0,08	0,01	0,0	0,0
СО	0,0	0,010	0,05	0,20	0,40	0,49	0,50	0,43	0,04
С	0,0	0,0	0,0	0,0	0,0	0,0	0,01	0,05	0,31
О	0,0	0,0	0,0	0,0	0,12	0,37	0,48	0,52	0,65

В зоне дуги могут иметь место следующие реакции:

(68 - 72)

Эти реакции происходят в зоне высоких температур.

В сварочной ванне окись железа может восстанавливаться примесями стали, обладающими большим сродством к кислороду, чем железо:

(73, 74)

При высоких концентрациях в шлаке Si0₂ и МпО реакции (73) и (74) могут протекать влево с образованием FeO. Если жидкий металл содержит недостаточное количество раскислителей, возможна такая реакция:

(75)

Основу сердечника проволоки, предназначенной для сварки в углекислом газе, составляют шлакообразующие материалы и раскислители. Газообразующие материалы не вводятся или вводятся в ограниченных количествах. Благодаря хорошему раскислению металла сварочной ванны, интенсивной обработке его шлаком в сочетании с надежной газовой защитой снижается количество газов и неметаллических включений в металле шва и достигается высокая пластичность наплавленного металла. В качестве шлакообразующей основы порошковой проволоки используются системы: ТіО₂ -- SiO₂ ;Ti0₂-- CaF₂; MgO--ТіО₂ -- CaF₂; CaO -- ТіО₂-- CaF₂; СаО -- Si0₂ -- CaF₂ и др.

Система ТіО₂ -- Si0₂ составляет основу сердечников проволоки рутилового типа, а система Ti0₂-- CaF₂ -- основу сердечников проволоки рутил-флюоритного типа. Шлаки, образующиеся при плавлении проволоки рутилового типа, имеют низкую основность. При высоких концентрациях кремнезема в шлаке происходит восстановление кремния железом. Металл в основном раскисляется марганцем, который вводится в рутиловую проволоку в значительных количествах. Вследствие этого возможна реакция

2Mn + Si0₂ = Si + 2MnO. (76)

Содержание марганца и кремния в шве и их коэффициенты перехода при сварке проволокой рутилового и рутил-флюоритного типов приведены в табл. 36. Проволока рутил-флюоритного типа обычно не содержит кремнезема, но имеет более высокие исходные концентрации кремния при низких концентрациях марганца. Поэтому при сварке этой проволокой реакции окисления кремния протекают интенсивнее.

Таблица 36

Тип сердечника проволоки	Содержание марганца, %	Коэффициент перехода марганца	Содержание кремния, %	Коэффициент перехода кремния
	исходное	в металле наплавки		исходное	в металле наплавки
Рутиловый	3,70	1,0	0,27	0,32	0,30	0,94
Рутил-флюоритный	2,10	1,0	0,47	0,88	0,32	0,36

Входящий в состав рутил-флюоритной проволоки фтористый кальций, являясь хорошим флюсующим реагентом, способствует получению металла высокой чистоты с хорошей пластичностью. Процессы взаимодействия фтористого кальция с водородом и его роль в металлургических процессах рассматривались выше. Проволока с рутиловым сердечником в свою очередь обеспечивает более высокие сварочно-технологические показатели -- устойчивость дуги, лучшее формирование швов, меньшее разбрызгивание электродного металла. Кроме того, она имеет более благоприятные гигиенические характеристики.

Характеристика порошковой проволоки для сварки в углекислом газе. Для сварки в углекислом газе применяется, как правило, порошковая проволока трубчатой конструкции. В нашей стране разработана и успешно применяется порошковая проволока рутилового типа ПП-АН8, ПП-АН10 и рутил-флюоритного типа ПП-АН4 [96], ПП-АН9 и ПП-АН5 для специальных работ.

Проволока ПП-АН8 изготавливается диаметрами 2,0; 2,2; 2,5 и 3,0 мм. Сварка выполняется постоянным током обратной полярности, в нижнем, наклонном и горизонтальном пространственных положениях. Плавление проволоки сопровождается мелкокапельным переносом металла. При сварке проволокой всех практически применяемых диаметров сохраняются высокая стабильность процесса и незначительное разбрызгивание металла в широком диапазоне режимов сварки. Сравнительные данные о влиянии силы тока на коэффициент набрызгивания (отношение массы брызг к массе наплавленного металла) при сварке проволоками ПП-АН8 и Св-08Г2С иллюстрируются рис. 93.

Рис. 93. Влияние силы тока на коэффициент набрызгивания при сварке проволоками ПП-АН8 диаметром 3 мм (1) Св-08Г2С диаметром 2 мм (2).

Проволока ПП-АН8 позволяет получать швы благоприятной формы с отличным внешним видом. На рис. 94 приведен макрошлиф таврового соединения. Показатели механических свойств металла швов, выполненных порошковой проволокой ПП-АН8 на постоянном токе приведены в табл. 37. Принципиально возможна также сварка на переменном токе без ухудшения показателей механических свойств.

Частотные диаграммы механических свойств металла швов, выполненных на стали Ст.З при испытании проволоки промышленных партий, приведены на рис. 95. Ударная вязкость металла шва после искусственного старения (10%-ная деформация и последующая термообработка при температуре 250° С в течение двух часов) составляет 8--11 кГм/см². По механическим свойствам металла шва и сварного соединения проволоку ПП-АН8 относят к типу Э50А-Т.

Рис. 94. Макрошлиф таврового соединения, выполненного порошковой проволокой ПП-АН8.

Таблица 37

Рис. 95. Частотные диаграммы механических свойств металла швов, выполненных порошковой проволокой ПП-АН8 (v -- частота, 96 случаев).

Содержание примесей в металле, наплавленном проволокой ПП-АН8 диаметром 3 мм в зависимости от напряжения дуги приведено в табл. 38, а в зависимости от силы тока для двух значений напряжения дуги -- в табл. 39.С увеличением напряжения переход примесей в шов уменьшается, причем окисление марганца происходит интенсивнее, чем кремния, что связано, как отмечалось выше, с высокой исходной концентрацией марганца и наличием кремнезема в шлаке, снижающими интенсивность процесса окисления кремния.

Таблица 38

Режим сварки	Содержание, %
1св. а	U/д..	Мп	Si
350	25	0,80	0,20
350	28	0,80	0,21
350	30	0,75	0,18
350	31	0,65	0,17
350	35	0,62	0,18

Таблица 39

Режим	сварки	Содержание,	%
І'св. а	ил,в	С	Мп	Si
160	25	0,04	0,70	0,17
200	25	0,05	0,80	0,21
320	25	0,06	0,85	0,26
370	25	0,06	1,05	0,28
370	35	0,05	0,65	0,18
400	35	0,06	0,75	0,18
420	35	0,06	0,77	0,17
480	35	0,06	0,77	0,18
580	35	0,06	1,1	0,24

Количество марганца и кремния, переходящего в шов, с возрастанием тока увеличивается. Несколько уменьшается выгорание углерода. С увеличением тока, а следовательно и скорости плавления, снижается интенсивность окисления примесей углекислым газом на стадии капли, что связано с уменьшением времени существования капли на торце электрода и в дуговом промежутке.Содержание газов в металле, наплавленном проволокой ПП-АН8, невелико (табл. 40). Гигиенические характеристики проволоки ПП-АН8 и Св-08Г2С равноценны (табл. 41). В диапазоне токов 150-550 а коэффициент наплавки проволоки ПП-АН8 составляет 13-22 г/а-ч, а производительность наплавки проволокой диаметром 3 мм при непрерывном процессе достигает 12 кг металла в час. Коэффициент расхода проволоки ПП-АН8 составляет 1,15-1,20.

Таблица 40

Марка проволоки, диаметр	Режим сварки	[N]. %	[О]общ, %	[Н]сум, см'/100 г
	Ісв- а	Uд, в
ПП-АН8, 3 мм	400	30	0,008	0,09	6,6
ПП-АН10, 2 мм	390	30	0,008	0,05	5,0

Таблица 41

Марка проволоки	Диаметр, мм	Режим сварки	Кол-во выделившейся пыли, г/мин	Содержание марганца в пыли, %
		Iсв.,а	UД',в
ПП-АН8	3,0	400--420	29	1,26	21,6
		480--520	33	1,98	23,0
		340--360	30	1,08	17,4
ПП-АН8	2,0	400--440	33	1,53	28,0
Св-08Г2С	2,0	300--320	30	1,02	22,4
		440--480	35	1,82	23,2

Проволока ПП-АН8 широко применяется при изготовлении строительных и машиностроительных металлоконструкций и особенно на объектах, где к внешнему виду швов предъявляются высокие требования.

Проволока ПП-АН10 изготавливается диаметрами 2,0 и 2,3 мм. Сварка проволокой ПП-АН10 выполняется на постоянном токе (жесткая внешняя характеристика источника питания) в диапазоне режимов: /_св= 130 -- 430 а; С_д= 22--37 в (диаметр 2,0 мм) и /_св= 180--500 а, Ј/_д = 23 -г- 38 в (диаметр 2,3 мм). Металл, наплавленный проволокой ПП-АН10, отличается от металла, наплавленного проволокой ПП-АН8, более низким содержанием водорода и кислорода (см. табл. 40), что в определенной мере повышает эксплуатационную надежность сварных швов. В отношении сварочно-технологических свойств и других характеристик проволока ПП-АН10 подобна проволоке ПП-АН8. Плавление проволоки ПП-АН10 сопровождается мелкокапельным переносом электродного металла. В табл. 42 приведены результаты испытаний металла швов, выполненных проволокой ПП-АН10 на различных сталях. По механическим свойствам металла шва проволока ПП-АН10 отвечает требованиям, предъявляемым к электродам типа Э50А.

Таблица 42

Проволока ПП-АН10 удобна в эксплуатации. При сварке могут быть использованы полуавтоматы, предназначенные для сварки проволокой сплошного сечения диаметром 2,0 мм.

Проволока ПП-АН4 изготавливается диаметрами 2,0, 2,2 и 2,5 мм. Сварка производится постоянным током обратной полярности.

Проволока ПП-АН4 обладает хорошими сварочно-технологическими свойствами, обеспечивает устойчивое горение дуги, хорошее формирование швов, незначительное разбрызгивание электродного металла, легкую отделимость шлаковой корки, высокую стойкость швов против образования пористости и горячих трещин. В пределах рекомендуемых режимов при автоматической и полуавтоматической сварке (сварочный ток 200-600 а, напряжение дуги 24-36 в) этой проволокой механические свойства металла шва и сварного соединения получаются такими же, как и при сварке электродами типа Э50А-Ф. Данные испытаний механических свойств металла шва приведены в табл. 43.

Таблица 43

Марка свариваемой стали	Режим сварки	ут, кГ/мм'	ув, кГ/мм2	д, %	ш ,%
	Iсв, а	Uд.. в
МСт-3	380	28-29
МСт-3	440	30-32
МСт-3	650	36-38
09Г2	380	28-29
10Г2СД	380	28-29

Сравнительные экспериментальные данные об ударной вязкости металла швов, выполненных проволоками ПП-АН4 и СВ-08Г2С, иллюстрируются рис. 96. Металл швов, выполненных проволокой ПП-АН4, более пластичен, он имеет высокую ударную вязкость даже при температуре испытаний -70° С.

Рис. 96. Ударная вязкость металла швов, выполненных порошковой проволокой ПП-АН4 диаметром 2,5мм (1-3) и cварке проволокой (4- 5): 1 - сталь І0Г2СД; 2 - сталь 09Г2; 3 -- сталь МСт.3; 4 -- сталь 09Г2; 5 -- сталь МСт.3.

Типичное содержание примесей в наплавленном металле: 0,07-- 0,10% С; 0,8--1,3% Мп; 0,2--0,5% Si; не более 0,030% S и Р. Химический состав металла, наплавленного проволокой ПП-АН4 диаметром 2,5 мм, в зависимости от напряжения дуги и силы тока приведен в табл. 44 и 45. Из этих данных видно, что содержание примесей в определенной мере зависит от величин силы тока и напряжения дуги, если одна из величин остается постоянной. Подобный характер имеют зависимости, приведенные в табл. 38 и 39, для рутиловой проволоки. На практике применяются режимы сварки, при которых большему значению тока соответствует большее напряжение. Это обеспечивает постоянство химического состава наплавленного металла во всем диапазоне режимов сварки. Применение проволоки ПП-АН4 способствует получению швов с малым содержанием водорода. Металл шва хорошо раскислен и содержит незначительное количество азота (табл. 45). Производительность сварки проволокой ПП-АН4 в несколько раз выше, чем однотипными электродами (табл. 47). На рис. 97 показана зависимость коэффициента наплавки от силы тока при различной величине вылета электрода.

Рис. 97. Влияние силы тока и вылета на коэффициент наплавки при СВ-08Г2С диаметром 2 мм ПП-АН4 диаметром 2,5 мм: 1 - вылет 30 мм; 2-вылет 20 мм

Таблица 44

Напряжение дуги,	Содержание, %
в	С	Мп	Sі
26	0 ,06	1,30	0,56
29	0,06	1,16	0,32
32	0,06	0,96	0,28

Примечание. I_св=350 а.

Таблица 45

Сварочный ток, а	Содержание,%
	С	Мп	Si
350	0,06	1,12	0,30
400	0,05	1,16	0,48
450	0,05	1,31	0,51
500	0,05	1,50	0,55

Примечание. Uд=30 в.

Таблица 46

Марка проволоки	Режим сварки	[N], %	[0]0бщ. %	1Н1сум, см8/100 г
	Iсв' а	Uд..
ПП-АН4	340	26	0,008	0,026	3,0
ПП-АН9	350	26	0,011	0,034	4,5

Таблица 47

Марка проволоки (электрода)	Диаметр мм	Режим сварки	Производительность наплавки. г/лит
		Iсв' а	Uд..
ПП-АН4	2,5	440	27--29	126,0
	2,5	550	30-32	165,0
ПП-АН9	2,5	400	30--31	123,0
АНО-10	5,0	300	33	67,5
	6,0	400	33	87,0
УОНИ 13/45	4,0	175	22--24	38,0
	5,0	200	22--24	40,0
СМ-11	4,0	200	22	39,0

Проволока ПП-АН4 рекомендуется для сварки особо ответственных конструкций, работающих в сложных климатических условиях при значительных динамических и знакопеременных нагрузках.

Недостатком проволоки ПП-АН4 является повышенная токсичность при применении форсированных режимов сварки. В этом отношении более благоприятна проволока ПП-АН9. Сравнительные данные по выделению сварочного аэрозоля при сварке проволокой ПП-АН4 и ПП-АН9 приведены в табл. 48. Выделения марганца и фтористых соединений в твердой фазе находятся на одном уровне, однако выделение фторсодержащих газов SiF₄ и HF при сварке проволокой ПП-АН9 в десятки раз меньше.

Таблица 48

Марка проволоки	Выделение твердых составляющих аэрозоля, г/кг	Выделения фторсодержащих газов, мг/мин
	Окислы марганца в пересчете на Мп02	Фтор растворимых фторидов	SiF4	HF
ПП-АН4	1,86	1,25	3060	94
ПП-АН9	2,18	1,21	34	42

Примечание. Режим сварки: /_CB=400ч420 a, U_Д=28ч29 в, vn. _э=298 _м/ч

По остальным сварочным и технологическим свойствам проволока ПП-АН9 близка к ПП-АН4. Проволока ПП-АН9 выпускается диаметрами 2,2-2,5 мм; она предназначена для сварки малоуглеродистых и низколегированных конструкционных сталей в нижнем и наклонном положении швов. По механическим свойствам эта проволока соответствует электродам Э50А-Ф. Механические свойства швов, выполненных проволокой ПП-АН9 диаметром 2,5мм на разных сталях, приведены в таб. 49.

Таблица 49

Рекомендуемые режимы сварки: I_св= 240ч 530 а; U_д= 25 ч35 в. Содержание примесей в наплавленном металле находится в пределах: 0,7-0,12% С; 0,25-0,45% Si; 0,9-1,6% Мп; не более 0,030% S и Р. Производительность сварки проволокой ПП-АН9 составляет 6-9 кг/ч. Расход проволоки на 1 кг наплавленного металла 1,2-1,25 кг.

4.4 Производство порошковой проволоки

Основным способом изготовления порошковой проволоки является формирование ленты и заполнение заготовки шихтой в специальном устройстве с последующим волочением.

Для изготовления порошковой проволоки применяется лента из низкоуглеродистой стали холодной прокатки, неполированная, особо мягкая. Требования к ленте оговорены ГОСТ 503--71.

Размеры ленты по толщине и ширине определяются технологией изготовления проволоки заданного диаметра. Основные показатели механических свойств ленты следующие: временное сопротивление разрыву 28--40 кГ/мм²; относительное удлинение -- не менее 30%.

Материалом ленты служит сталь 08 кп такого химического состава (ГОСТ 1050--60): 0,05-0,11% С; 0,25-0,50% Мп; не более 0,03% Sі; не более 0,040% S и Р.

Лента поставляется в рулонах или кругах с внутренним диаметром не менее 150 мм. Поверхность ее покрыта консервационной смазкой.

Размеры ленты для изготовления проволоки заданного диаметра могут быть приняты по данным опытного изготовления или получены расчетным путем. Наиболее просто рассчитываются параметры ленты для проволок трубчатой конструкции.

В расчетах обычно принимают диаметр заготовки d₃ проволоки равным 1,5--2 диаметрам готовой проволоки, при этом для четырехкратного волочения принимаются меньшие величины деформации, для шестикратного -- большие. Толщину ленты определяют из выражения

 (77)

где k -- коэффициент, зависящий от суммарной деформации заготовки и равный 0,75--1;

d-- заданный диаметр готовой проволоки;

К₃ -- коэффициент заполнения проволоки;

г_м-- удельный вес металла оболочки;

г_ш -- насыпной вес шихты.

Полученную расчетом толщину ленты округляют до ближайшего меньшего значения, указанного в ГОСТе.

Ширина ленты

b_л = (d₃ - h_л) р (78)

Полученную величину округляют в большую сторону. Поставляемую в рулонах ленту завод-изготовитель порошковой проволоки подвергает резке на требуемый размер. Поступающая лента перед изготовлением проволоки очищается от масла и загрязнений. Есть два способа очистки: механический и химический с помощью ультразвука. Механический способ заключается в том, что лента пропускается через специальные барабаны с венской известью и обезжиривается.

Компоненты шихты должны отвечать определенным требованиям по химическому составу и грануляции. Крупность частиц порошков, входящих в состав шихты, определяет сыпучесть последней и, как следствие,-- качество дозирования при заполнении проволоки. Поэтому в порошках, используемых для изготовления проволоки, нежелательно наличие пылевидной фракции с размером частиц менее 0,05 мм и крупных частиц с размером, превышающим 0,3 мм.

Часть материалов поставляется в виде порошков с гранулометрическим составом, близким к требуемому. Поэтому такие материалы перед изготовлением проволоки подвергаются лишь контрольному просеву и при необходимости -- сушке. В виде порошка поставляются рутиловый концентрат, флюоритовый концентрат, крахмал, глинозем, железный порошок, натрий кремнефтористый и ряд других материалов.

Материалы, поступающие в кусковом виде, подвергаются дроблению и помолу (при необходимости также сушке и прокалке). Помол материалов удобно производить в мельницах с непрерывным отсевом продукта, что обеспечивает высокий процент выхода годного материала. В целом процессы дробления, размола, сушки, прокалки и фракционирования материалов шихты подобны процессам, происходящим при производстве электродов Эти процессы подробно рассмотрены в специальной литературе [54].

Готовые порошки отвешиваются по рецептуре и подвергаются сухому смешиванию. Время смешивания зависит от типа смесителя. В барабанном смесителе конструкции ГИПРОМЬШЗа оно не превышает 30 мин. Равномерность смешивания регулярно проверяется путем отбора проб из разных мест шихты и их анализа. Готовая смесь поступает на участок заполнения проволоки. При необходимости смесь может храниться, предпочтительно в герметичных контейнерах.

Профилирование ленты, дозировка шихты и волочение. Изготовление порошковой проволоки осуществляется на поточной линии, включающей два основных агрегата-- волочильный стан и формирующее устройство. Схема одного из вариантов технологической линии приведена на рис. 98.

Очищенная лента с размоточного устройства проходит через профилирующие ролики, последовательно формируясь и приобретая нужный профиль заготовки. На определенной стадии формирования в ленту засыпается дозированное количество шихты. Сформированная и заполненная шихтой заготовка проволоки поступает на волочильный стан, где протягивается по маршруту до готового размера. Мерные бухты проволоки снимаются с чистового барабана стана. Иногда производится намотка проволоки на большегрузные катушки с последующей перемоткой в кассеты на специальных станках. Общий вид волочильного отделения цеха порошковой проволоки приведен на рис. 99.

Рис. 98. Схема технологической линии изготовления порошковой проволоки: 1 -- размоточное устройство; 2 -- сварочная машина; 3-- формирующее устройство; 4 -- волочильный стан; 5 -- устройство для съема порошковой проволоки.

Рис. 99. Волочильное отделение цеха порошковой проволоки.

Для обеспечения непрерывности процесса предусматривается сварка концов ленты. Применяется стыковая сварка оплавлением или контактная роликовая. Бункеры с шихтой выполняются легкосъемными, что дает возможность быстро заменять их без остановки стана. Контроль за наличием шихты в бункерах осуществляется датчиками уровня.

Промышленный опыт показал, что в большинстве случаев формирующее устройство для порошковой проволоки может быть выполнено неприводным. Проволока протягивается через него первым барабаном волочильного стана. Формирующее устройство (рис. 100) имеет несколько пар роликов (обычно не более 12), при протягивании через которые лента формируется в заданный профиль.

Рис. 100. Формирующее устройство

Калибровка роликов должна обеспечивать устойчивое формирование промежуточных профилей, равномерное распределение нагрузки по калибрам, минимально возможное усилие протяжки. Для формовочных операций хорошо себя зарекомендовала калибровка с «постоянным радиусом». Принято считать, что устойчивое безобрывное формирование ленты в неприводных роликах будет тогда, когда напряжение, возникающее в ленте при формировании, не превышает 30--40% предела прочности ленты. От скорости протяжки величина этого напряжения зависит мало. Уменьшение усилий протяжки достигается при рациональном выборе калибровки и диаметров роликов (при большем диаметре усилие снижается).

Дозирование шихты осуществляется вне движущегося профиля. Используются питатели-дозаторы таких типов: транспортерные, барабанные, тарельчатые, вибролотки. Поскольку принцип дозирования у питателей всех типов объемный, производительность их определяется размерами выпускного отверстия и скоростью подачи шихты.

Производительность питателя должна изменяться пропорционально скорости движения заготовки проволоки, обеспечивая получение заданного коэффициента заполнения при выбранных параметрах ленты. Наиболее точное соответствие производительности питателя скорости движения заготовки проволоки достигается при наличии кинематической связи подающего органа питателя с рабочим роликом предшествующей питателю формирующей клети [4, 5].

Поскольку скорость подачи шихты v_m ограничена некоторой критической величиной (6-9 м/мин), выше которой производительность питателей изменяется нелинейно, дозируемую шихту засыпают на большой длине слоем малой толщины. При этом обеспечивается свободное просыпание шихты в профиль ленты(обычно типа «лодочки») и достаточная производительность для получения заданного заполнения. Производительность G_д такого питателя с выпускным отверстием условно прямоугольного сечения высотой z_д и шириной Ь_а будет

(79)

По заданной ширине профиля ленты выбирают высоту выпускного отверстия, определяющую толщину дозируемого слоя шихты (исключение составляют тарельчатые питатели). Тогда требуемую ширину Ь_я можно определить по формуле

(80)

в которой объем шихты в еди- , нице длины профиля

(81)

В формуле (80) у_пр-- максимальная заданная скорость изготовления проволоки; v_K -- критическая скорость подачи шихты.

Поскольку для выбранной проволоки величины F_m, v_K и г_д заданы, длина засыпки, а соответственно и ширина выпускаемого отверстия дозатора будут определяться лишь скоростью изготовления проволоки.

Более точное заполнение проволоки шихтой может быть выполнено при использовании весовых дозаторов. В таких дозаторах отдозированный поток шихты транспортируется через весоизмерительную платформу. Обнаруженное весовой системой рассогласование устраняется исполнительной схемой с обратной связью.

Заполненная шихтой заготовка порошковой проволоки подвергается волочению на прямоточных волочильных станах. На четырех-или шестикратных волочильных станах можно осуществлять волочение проволоки в линию. Благодаря отсутствию перегибов проволоки и достаточно высокой чувствительности схемы электропривода процесс волочения порошковой проволоки на таких станах весьма надежен.

Стан 4/250 имеет скорость волочения до 130 м/мин, а 6/250/350 (шестикратный, с диаметром чистового барабана 250 или 350 мм) -- до 220 м/мин. Волочильный стан и формирующее устройство оснащаются аспирационным устройством для отсоса пыли при работе на высокой скорости.

Для сварочной порошковой проволоки суммарные обжатия при четырехкратном волочении составляют 40--60%, при шестикратном могут достигать 70%. Частные обжатия маршрутом волочения распределяются таким образом, что наименьшие обжатия приходятся на чистовую и входную волоки. При высоких скоростях волочения проволоки важным условием безобрывного процесса является надежность смазки поверхности в очаге деформации. Применение принудительного перемешивания смазки и сдвоенных волок снижает усилие волочения по сравнению с обычными условиями на 20%.

Готовую проволоку снимают с чистового барабана и увязывают в бухты весом до 30 кг. Бухты упаковывают в металлические бочки емкостью до 60 кг или текстовинитовые мешки емкостью до 30 кг. Упаковка порошковой проволоки должна быть герметичной. По техническим условиям допускаются различные способы герметичной упаковки.

Порошковую проволоку с сердечником рутил-флюоритного и карбонатно-флюоритного типов подвергают на заводе-изготовителе или у потребителя прокалке при температуре 230--250° С, для удаления с поверхности технологической смазки.

При длительном хранении проволоки сердечник увлажняется. Это сопровождается коррозией оболочки и железного порошка, что ухудшает сварочно-технологические свойства проволоки и, в некоторых случаях, делает ее непригодной для дальнейшего использования. Для предупреждения ржавления оболочки и металлических порошков, имеющихся в сердечнике, используются парофазные ингибиторы коррозии [5], вводимые в очень малых количествах в шихту порошковой проволоки.

Контроль качества проволоки. Методы испытаний. Контроль производства порошковой проволоки осуществляется на всех этапах -- от поступления сырьевых материалов до съема готовой проволоки и упаковки ее.

Тщательное соблюдение всех требований инструкций, контроль химического и гранулометрического состава сырьевых материалов, влажности порошков, качества дозировки и смешивания шихт, заполнения заготовки проволоки шихтой сводят к минимуму процент брака.

Контроль готовой проволоки является завершающим этапом производства на заводе-изготовителе. Он играет решающую роль, поскольку определяет пригодность проволоки к практическому использованию. Контроль порошковой проволоки включает два основных этапа:

1) оценку по внешним признакам качества изготовления проволоки ;

2) испытание проволоки при сварке.

Требования по каждому из этапов регламентируется техническими...