Автоматичне зварювання під флюсом (стр. 4 из 9)
Зовнішній вигляд шва значною мірою визначається рівномірністю відкладення металу, що твердіє, залежної від стану зварювальної ванни. «Кипіння» зварювальної ванни унаслідок вигорання вуглецю і виділення розчинних в металі газів значно погіршує зовнішній вигляд шва. Підвищення окиснення флюсу, сприяюче інтенсивному вигоранню вуглецю, також погіршує зовнішній вигляд шва.
Залежно від темпу зміни показників в'язкості із зміною температури розрізняють довгі і короткі флюси. В'язкість довгого флюсу із зміною температури змінюється значно повільніше, ніж в'язкість короткого. Для кільцевих швів малого діаметру придатніші короткі флюси, тому що їх шлак твердне швидко і надійно утримує зварювальну ванну від стікання
А) Вплив флюсу на хімічний склад металу шва. Під час зварювання плавленням відбувається взаємодія між рідким шлаком і металом. Тривалість цієї взаємодії зазвичай дуже невелика і при дуговому зварюванні може коливатися від декількох секунд до 1 хв. При електрошлаковому зварюванні шлак і метал взаємодіють довше (до декількох хвилин). Взаємодія припиняється після твердіння металу і шлаку. Не дивлячись на короткочасність реакції, взаємодія між шлаком і металом при дуговому зварюванні може проходити дуже енергійно, що обумовлено високими температурами розплавленого металу і шлаку, значними поверхнями їх контакту і відносно великою кількістю шлаку. Останнє в середньому складає 30–40% маси металу при зварюванні під флюсом і до 10% маси металу при зварюванні по флюсу. У зв'язку з невеликою витратою флюсу при електрошлаковому зварюванні рідкий метал і шлак взаємодіють слабо.
Реакції, що проходять між шлаком і металом, є реакціями витіснення з шлаку в метал одного хімічного елементу іншим, або ж реакціями їх розподілу між шлаком і металом. Реакції витіснення переважно ведуть до збагачення або збіднення металу шва тими або іншими легуючими елементами. Реакції розподілу лежать в основі створення в металі шва неметалічних включень. Найбільш важливу роль при зварюванні під плавленими флюсами грають реакції відновлення кремнію і марганцю:
Символи в круглих дужках позначають вміст з'єднання або елементу в шлаковій фазі, в квадратних дужках – в металевій. Стрілки показують, що реакції можуть йти в обох напрямах. При високих температурах вони переважно йдуть зліва направо (відновлення марганцю і кремнію з шлаку в метал). При зниженні температури рівновага цих реакцій зміщується справа наліво, тобто марганець і кремній окислюються і переходять з металу в шлак. Напрям реакцій залежить також від концентрації реагуючих речовин. Якщо в металі зварювальної ванни міститься мало марганцю і кремнію, а в шлаку багато МnО і SіO2 і мало FeО, при високих температурах (поблизу дуги) марганець і кремній відновлюються з шлаку в метал. Якщо ж в металі зварювальної ванни багато марганцю і кремнію, а в шлаку немає МnО і SiO2 або багато FeО, марганець і кремній окислюватимуться навіть в зоні високих температур. Перехід марганцю в шов тим вище, чим більше МnО і менше SiO2 міститься в зварювальному флюсі – шлаку. Перехід марганцю із флюсу в шов залежить також від ступеня окисненості флюсу. Чим більше окиснений флюс, тобто чим вище в ньому вміст окису марганцю Мn2O3, тим перехід марганцю менший. Погіршує перехід марганцю підвищення вмісту окису заліза у флюсі, як це витікає з реакції (1).
На відміну від переходу марганцю, перехід кремнію із зварювального шлаку в метал шва зазвичай невеликий (0,1–0,2%), він пропорційний концентрації кремнезему в шлаку і мало залежить від ступеня окисненості шлаку. Збільшення основності флюсу знижує перехід кремнію з шлаку в метал.
Б) Вплив флюсу на стійкість швів проти утворення пір. При зварюванні під флюсом шви можуть виявитися пористими. Появі пір, тобто порожнин, заповнених газом, сприяють наступні обставини: наявність іржі або окалини на зварюваних поверхнях; надмірна вологість флюсу і зварюваних поверхонь; забруднення зварюваних поверхонь органічними речовинами; недостатній захист зони зварювання від повітря (малий шар флюсу, великі зазори між зварюваними кромками); погані технологічні властивості флюсу або невідповідність флюсу складу основного металу і електродного дроту. Утворення пір (газових вкраплень) в шві пов'язане з виділенням газів з рідкого металу зварювальної ванни (водню, азоту або окису вуглецю) у момент твердіння. Водень може потрапляти в зону зварювання разом з іржею, вологою, маслом і органічними речовинами. Азот поступає в зону зварювання при поганому її захисті від повітря. Розчинність водню і азоту в рідкому металі вельми велика і зростає з підвищенням температури. При твердінні металу розчинність в нім водню і азоту стрибкоподібно падає, і надлишок їх виділяється у вигляді бульбашок. Унаслідок швидкого твердіння металу бульбашки газу не встигають повністю виділятися в атмосферу і залишаються в шві у вигляді довгастих пір. Чим більше водню або азоту потрапляє в зону зварювання, тим більше їх розчиняється в рідкому металі і тим вище вірогідність утворення пір в шві.
На видалення газів із зварювальної ванни робить вплив її форма: з дрібної і широкої ванни гази видаляються легше, ніж з глибокої і вузької. Збільшення швидкості зварювання і зменшення зварювального струму (зменшення погонної енергії зварювання), як і пониження температури зварюваного металу, приводить до збільшення швидкості кристалізації і підвищення схильності шва до утворення пір. Із збільшенням напруги (довжини) дуги при зварюванні під флюсом підвищується вміст азоту і водню в шві і вірогідність створення в ній пір. Розчинення водню в металі при дуговому зварюванні і пов'язана з цим пористість шва залежать також від роду зварювального струму. Так, при зварюванні на змінному струмі за інших рівних умов розчинення водню і пористість шва максимальні, при зварюванні на постійному струмі прямої полярності (мінус на електроді) – значно менші, а при зворотній полярності – мінімальні.
Щоб водень не попадав в зварювальну ванну, кромки зварюваного металу і поверхню зварювального дроту ретельно очищають і висушують, а флюс прожарюють. Головна умова відсутності пір в шві при зварюванні під флюсом – правильний вибір флюсу відповідного хімічного складу і будови зерен. За допомогою флюсу водень зв'язують в зоні дуги в нерозчинні в рідкому металі з'єднання, перш за все НF. Основну роль при цьому грають складові флюсу СаF2 і SiO2. У зоні зварювання протікають наступні реакції:
Фтористий водень НF, що утворюється, нерозчинний в рідкому металі, тому вміст водню в металі шва і його схильність до пір зменшуються. Переважне значення мають реакції (3) – (5), оскільки без SiO2 у флюсі скріплення водню фтором неефективне. Таким чином, найбільшою стійкістю проти пір від водню володіють висококременеві флюси.
Флюси однакового хімічного складу, але з різною будовою зерен по-різному впливають на утворення пір в металі шва. Флюси пемзовидної будови набагато ефективніше запобігають утворенню пір в шві, чим склоподібні. Пояснюється це тим, що виділення газоподібних фторидів, що зв'язують водень в зоні горіння дуги, починається до розплавлення флюсу (приблизно з 600° С) з поверхні зерен. Чим розвиненіша поверхня зерен, тим більше виділяється газоподібних фторидів і тим інтенсивніше зв'язується водень в зварювальній ванні в нерозчинні з'єднання. Максимально розвинену поверхню, а значить, і стійкість швів проти утворення пір мають пемзовидні флюси.
В) Вплив флюсу на стійкість швів проти утворення тріщин кристалізацій. Кристалізаційні тріщини – це макро- і мікроскопічні несуцільності, що мають характер надрізу і що зароджуються в процесі первинної кристалізації швів між кристалами, що ростуть. Стійкість швів проти утворення тріщин багато в чому залежить від хімічного складу металу шва. Змінюючи вміст в металі шва вуглецю, сірки, марганцю і інших елементів, флюс робить вплив на стійкість швів проти тріщин кристалізацій. Збільшення змісту вуглецю і сірки в шві знижує, а збільшення змісту марганцю підвищує стійкість зварних швів проти утворення тріщин кристалізацій. Найбільш високу стійкість швів проти утворення тріщин при зварюванні низьковуглецевих і низьколегованих сталей забезпечують висококременеві флюси з високим вмістом оксидів марганцю (35–40%).
Вельми шкідливою домішкою в шві, що надає різкий негативний вплив на його стійкість проти утворення тріщин, є сірка, тому слід всемірно знижувати її вміст в металі шва. Необхідно застосовувати флюси з можливо нижчим вмістом сірки і вводити в зварювальну ванну елементи, що перешкоджають переходу сірки в метал шва. Таким елементом перш за все є марганець. Відновлюючись з флюсу і переходячи в метал зварювальної ванни, він зв'язує сірку в малорозчинне в рідкому металі з'єднання МnS, яке надалі переходить в шлак. При вмісті у флюсі 25% МnО і більш сірка майже не переходить з флюсу в метал шва. Підвищення вмісту марганцю в металі зварювальної ванни і введення в неї алюмінію і титану перешкоджають переходу сірки з шлаку в метал, тим самим підвищуючи стійкість швів проти утворення тріщин кристалізацій.
До зниження стійкості швів проти утворення тріщин приводить підвищення вмісту в них вуглецю і у меншій мірі кремнію. Тому застосування флюсів, що окислюють вуглець в зварювальній ванні, сприяє збільшенню стійкості швів проти утворення тріщин. Негативний вплив на стійкість швів проти утворення тріщин надає і фосфор.