Сварка порошковой проволокой

Раздел ГРНТИ: Сварка
И.К. Походня, А.И. Суптель, В.И. Шлепаков
Наукова думка, 1972 г.

Ссылка доступна только зарегистрированным пользователям.
Сварка порошковой проволокой
Сущность способа сварки порошковой проволокой. Порош­ковая проволока представляет собой непрерывный электрод трубча­той или другой, более сложной конструкции с порошкообразным наполнителем — сердечником. Сердечник состоит из смеси минера­лов, руд, ферросплавов металлических порошков, химикатов и дру­гих материалов. Назначение различных составляющих сердечника подобно назначению электродных покрытий — защита расплавлен­ного металла от вредного влияния воздуха, раскисление, легиро­вание металла, связывание азота в стойкие нитриды, стабилизация дугового разряда и др. Составляющие сердечника должны, кроме того, удовлетворять общепринятым требованиям, предъявляемым ко всем сварочным материалам: обеспечивать хорошее формирование швов, легкую отделимость шлаковой корки, провар основного метал­ла, минимальное разбрызгивание металла, отсутствие пор, трещин, шлаковых включений и других дефектов, определенные механи­ческие свойства швов и сварных соединений и т. д.
Порошковые проволоки используются для сварки без дополни­тельной зашиты зоны сварки, а также для сварки в защитных га­зах, под флюсом, электрошлаковой. Проволоки, используемые для сварки без дополнительной защиты, называются самозащитными. Входящие в состав сердечника таких проволок материалы при нагреве и расплавлении в дуге создают необходимую шлаковую и газовую защиту расплавленного металла. В настоящее время наибольшее распространение получили порошковые проволоки для сварки в углекислом газе и самозащитные порошковые проволоки.
В зависимости от диаметра и состава порошковой проволоки сварка может осуществляться во всех трех пространственных по­ложениях.
Азот в сварных швах на малоуглеродистых и низколегиро­ванных сталях — вредная примесь. Присутствие его вызывает сни­жение пластичности швов; при пересыщении сварочной ванны азо­том повышается склонность металла шва к пористости.
Проблема предотвращения вредного влияния азота — одна из наиболее сложных проблем в металлургии сварки вообще и при сварке открытой дугой в особенности. Согласно современным пред­ставлениям азот в металле находится в виде атомов или группи­ровок, содержащих атомы, а также в виде самостоятельных ни-тридных фаз. Растворению предшествуют поверхностные реакции и диссоциация молекул азота.
При сварке открытой дугой без дополнительной защиты зоны дуги заметное снижение содержания азота в металле швов дости­гается благодаря увеличению доли газообразующих и шлакообра-зующих составляющих в электродном материале [91, 95, 120]. Появление дополнительных количеств газа в зоне дуги и увеличе­ние объема шлака приводят к снижению парциального давления азота у поверхности расплавленного металла и замедлению ско­рости его поглощения.
Таким образом, содержание азота в металле шва при дуговой сварке, по мнению большинства исследователей, определяется условиями насыщения металла азотом: температурой металла, пар-циальным давлением газа в атмосфере дуги, степенью диссоциации и возбуждения в дуге его молекул, а также кинетическими пара­метрами плавления и переноса расплавленного металла, в частности величиной поверхности взаимодействия с газами и временем.
При сварке порошковой проволокой характер плавления и пе­реноса металла, температурные условия, формирование газошла­ковой защиты и другие факторы, как было показано выше, отли­чаются от наблюдаемых при других способах сварки, что приво­дит к изменению условий взаимодействия металла с азотом. Рас­смотрим особенности этих процессов.
Влияние условий сварки на насыщение металла азотом. Вели­чина применяемых на практике напряжений дуги и сварочных токов для данной порошковой проволоки ограничена определенными пре­делами, т. е. для данной проволоки существует диапазон режимов, в пределах которого возможен нормальный технологический про­цесс сварки. Этот диапазон принято называть диапазоном рабочих режимов сварки. Нарушение его приводит к появлению дефектов в швах, резкому ухудшению технологических характеристик. Схе­матически такой диапазон представлен на рис, 48. Линии АБ и ВГ ограничивают пределы режимов сварки по напряжению дуги, ли­нии АГ и БВ ~ по сварочному току. При пересечении диапазона линиями х — х' выделяется диапазон токов, которые могут быть использованы при данном напряжении, а линиями у — у' — диапа­зон напряжений для заданного тока.
Зависимости содержания азота в металле наплавки от напряже­ния дуги для двух выбранных токов (пересечение диапазона ли­ниями у — у') представлены па рис. 49. Приведенные зависимости для проволок различного состава и конструкций идентичны. Повы­шение напряжения дуги приводит к увеличению содержания азота в металле.
Взаимодействие с азотом металла, легированного титаном и алю­минием. Легирование металла шва титаном и алюминием при дуго­вой сварке приводит к изменению прочности и пластичности метал­ла шва, склонности к образованию кристаллизационных трещин и других свойств. Металл швов с высоким содержанием титана и алю­миния обладает низкой ударной вязкостью. Высокое содержание этих элементов повышает склонность к образованию кристаллиза­ционных трещин 1113]. При сварке под флюсом конструкционных углеродистых сталей обнаружено снижение ударной вязкости ме­талла швов, содержащих свыше 0,4% титана 1142].
С выделением нитридов алюминия связывают хрупкость швов (43, 44, 45] при сварке под флюсом сталей, успокоенных алюми­нием. Благоприятное влияние титана и алюминия на свойства ме­талла швов при сварке под флюсом наблюдалось при комплексном легировании небольшими добавками [14, 70, 170].
В условиях ручной дуговой сварки наблюдается большой угар титана и алюминия, содержащихся в покрытии. В металле шва обна­руживаются незначительные количества этих элементов, при этом его свойства оказываются достаточно высокими [84, 179].
Введение в проволоку для сварки в углекислом газе титана и алюминия в ряде случаев вызывает охрупчивание металла шва [41, 76].
Влияние титана, алюминия и азота на свойства швов, выпол­ненных открытой дугой, оценивается противоречиво. В работе [28] легирование алюминием во всех случаях считается неблаго­приятным. В то же время в работах [53, 94, 105] показана возмож­ность получения швов с высокими механическими свойствами при легировании алюминием и титаном раздельно или комплексно.
Титан и алюминий, обладающие большим химическим сродством к азоту, способны связывать его в жидкой стали в прочные нитриды и таким образом предотвращать пересыщение металла азотом.
При сравнительно высоких скоростях кристаллизации сварочной ванны нитриды, как правило, не успевают всплыть и остаются в металле, существенно влияя на его свойства.
Являясь сильными раскислителями, титан и алюминий восста­навливают из окислов элементы, обладающие меньшим сродством к кислороду. Это также оказывает большое влияние на механические свойства швов.
6. Поведение водорода при сварке порошковой проволокой
Водород поступает в зону дуги из материалов сердечника или покрытия, флюса или защитного газа, из окружающего воз­духа, а также с поверхности свариваемого металла. Насыщение металла водородом в процессе сварки может служить причиной пористости металла. При повышенном содержании водорода в ста­ли часто возникают локальные пересыщения в микрообъемах ме­талла, что служит причиной появления ыежкристаллитных тре­щин, Наличие водорода снижает показатели пластических свойств и сопротивление разрушению металла шва, а при испытаниях на длительную прочность приводит к возникновению трещин, снижая тем самым усталостные свойства стали. Присутствие водорода яв­ляется одной из основных причин образования флокенов в сварных швах.
В условиях низких температур растворимость водорода в же­лезе и стали мала и составляет для чистого железа при комнатной температуре 7-10~8% 1731. В то же время в стали и сварных швах всегда содержатся значительно   большие   количества водорода.
Растворенные в железе атомы водорода связаны со свободными электронами металла, часть водорода может быть в виде ионов. Лишь незначительное количество избыточного водорода находится в кристаллической решетке железа, большая часть его концентри­руется в микропустотах металла в газообразном состоянии либо химически связана в соединения с примесями металла (24, 73, 159].
Растворимость водорода в жидком железе изучали многие ис­следователи [57, 73, 135, 159, 184]. Согласно расчетам и эксперимен­тальным данным 157, 135] максимум растворимости достигается при температуре 2450° С. Понижение растворимости по мере при­ближения к точке кипения объясняется влиянием паров железа, уменьшающих парциальное давление водорода. Растворимость во­дорода в жидком железе при парциальном давлении водорода рн равном 1 атм, в интервале температур 1800—2270°К описывается уравнением [56].
ПОРИСТОСТЬ ШВОВ ПРИ СВАРКЕ ПОРОШКОВОЙ ПРОВОЛОКОЙ
7. Условия зарождения и развития пор в сварных швах
Пористость — один из наиболее распространенных дефек­тов сварных швов при дуговой сварке. Образование пор является следствием выделения газов из металла при кристаллизации сва­рочной ванны. Выделение газов происходит при снижении раство­римости или протекании в жидком металле химических реакций. Для описания механизма зарождения и развития пор при сварке сталей целесообразно использовать кинетический метод.
В общем случае процесс образования пор можно разделить на две стадии — зарождение и развитие газового пузырька. Для за­рождения пузырька необходимы, по крайней мере, три условия: ]) перенасыщение жидкого металла газом; 2) наличие центра; 3) определенная выдержка элементарного объема жидкого металла (инкубационный период) при соблюдении первых двух условий, так как скорость образования газового зародыша критического размера конечна (1331. Развитие пузырька происходит во времени и определяется скоростью атомарной и конвективной диффузии, концентрацией газа в металле (степенью перенасыщения), а также скоростью его десорбции. Сформулированные условия зарождения и развития пузырька вытекают из общих принципов теории фазо­вых процессов [133].
Перенасыщение жидкого металла газами. Перегретый металл капель и ванны, взаимодействуя с активизированными дугой водо­родом и азотом, при определенных парциальных давлениях этих газов в атмосфере дуги адсорбирует их в количествах, значительно превышающих стандартную растворимость водорода и азота в ме­талле.
Выше {см. параграфы 5 и 6) отмечалось, что растворимость во­дорода и азота в жидком железе достигает максимума при темпера­туре 2300—2400" С и снижается с уменьшением температуры ме­талла. В результате этого при охлаждении жидкого металла может быть достигнуто значительное перенасыщение сварочной ванны га­зами во всем ее объеме.
10. Самозащитная порошковая проволока
К самозащитной порошковой проволоке предъявляется ряд требований, ог 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 шлакообразующей 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.
11. Порошковая проволока для сварки в углекислом газе
Углекислый газ является эффективным средством зашиты от влиянии 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 116, 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.
16. Специальные случаи применения порошковой проволоки
К специальным относятся случаи применения порошковой проволоки, когда условия сварки и требования к сварному соеди­нению вызывают необходимость применения специальной аппара­туры и техники сварки, а часто и порошковой проволоки с особыми Свойствами.
Ниже рассмотрены примеры специального применения порош­ковой проволоки.
Сварка вертикальных швов с принудительным формированием. Вертикальные швы на металле средней толщины (8—30 мм) свари­ваются в основном вручную покрытыми электродами. В последнее время все большее распространение получает полуавтоматическая газоэлектрическая сварка тонкой проволокой со свободным форми­рованием шва. Принудительное формирование кристаллизующейся поверхности сварочной ванны позволяет резко поднять силу тока, увеличить скорость подачи электродной проволоки и повысить про­изводительность процесса. Этот метод в сочетании с электрошлаковым процессом получил большое распространение в промышленности и строительстве.
Электрошлаковой сваркой соединяют в основном металл тол­щиной 20—30 мм и более. Для меньших толщин электрошлаковый процесс не всегда целесообразен.
Для устойчивости электрошлакового процесса нужна шлаковая ванна определенного объема. При малой толщине металла это тре­бует значительного увеличения зазора между кромками. Так, напри­мер, при сварке листов толщиной б = 18 мм зазор составляет ^25—30 мм. В связи с этим приходится тратить большое количество ""присадочной проволоки, скорость сварки снижается. Основной ме­талл, находясь длительное время в непосредственном контакте со шлаковой ванной, перегревается, его механические свойства ухуд­шаются. Для восстановления же этих свойств в некоторых случаях требуется дорогостоящая термообработка соединений. Часто ее осуществить нельзя, поэтому приходится отказываться от электро­шлаковой сварки.
Дуговая сварка под флюсом вертикальных швов с принудитель­ным формированием распространения не получила из-за неустой­чивости процесса, большого разбрызгивания, сложности дозировки флюса, шунтирования дуги шлаком, вызывающего непровары и пр.
В ИЭС им. Е. О. Патона разработан новый способ электродуго­вой сварки вертикальных швов с принудительным формированием порошковой проволокой [98].