Раздел IV. МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ

НАЗАД: 4.4. Окисление металла при сварке

4.5. Раскисление металла при сварке

Раскисление металла при сварке – это процесс удаления из него кислорода любыми путями.

Необходимость раскисления объясняется неизбежностью некоторого окисления металла газовой или шлаковой фазами и сваркой недостаточно раскисленных сталей (кипящих или полуспокойных). Так, при сварке углеродистых кипящих сталей проволокой марок Св-08, Св-08А или Св-08АА даже в аргоне в хвостовой части сварочной ванны будет протекать реакция восстановления железа углеродом:

[C] + [FeO] = [Fe] + CO . (4.27)

Нерастворимая в жидком металле окись углерода может не успеть выделиться из кристаллизующегося металла сварочной ванны. Образуются поры – газовые включения. Чтобы не допустить выгорания углерода в металле сварочной ванны надо иметь не менее 0,15 % кремния и 0,75 % марганца.

Раскисление металла может идти двумя путями – химическим (осаждающее раскисление) и физическим (диффузионное раскисление).

При химическом раскислении реакция протекает по следующей схеме:

[FeO] + [Pa] = (PaO) + [Fe]. (4.28)

Продукты раскисления (PaO) нерастворимы в металле (как бы выпадают в осадок, поэтому и называют осаждающим раскислением), а растворимы в шлаке.

Элементы-раскислители должны иметь сродство к кислороду больше, чем раскисляемый элемент. Окисел раскислителя должен быть конденсированным, нерастворимым в металле, а растворимым в шлаке. Температура плавления окисла должна быть ниже температуры плавления раскисляемого металла, а удельный вес меньше удельного веса металла.

Обычно для химического раскисления применяют не менее двух раскислителей. Это объясняется следующим:

- ни один раскислитель не может полностью удалить кислород, так как реакция всегда идет до равновесного состояния;

- при наличии двух раскислителей в передней части сварочной ванны действует более сильный раскислитель, в хвостовой – менее сильный. При наличии только одного раскислителя по мере его сгорания в хвостовой части сварочной ванны усиливается реакция выгорания углерода, что может привести к пористости металла шва;

- применяемые раскислители должны образовавать разные по своему характеру оксиды (кислотные и основные или основные и амфотерные), чтобы взаимодействуя между собой, они образовывали комплексные соединения, легко растворимые в шлаке. В этом случае удается вывести в шлаковую фазу большую часть эндогенных продуктов реакции раскисления.

Для химического раскисления сталей углерод обычно не используют, так как углерод:

- приводит к пористости металла шва;

- способствует образованию как холодных, так и горячих трещин при содержании в сталях более 0,2 %;

- увеличивает радиационную хрупкость металла;

- увеличивает склонность нержавеющих сталей к межкристаллитной коррозии;

- при увеличении своего содержания в сталях на 0,1 % повышает порог хладноломкости на 20 ⁰С;

- способствует крупнокапельному переносу электродного металла.

Поэтому обычно при сварке сталей содержание углерода в сварочной проволоке не превышает 0,12 %.

Для раскисления сталей чаще всего применяют кремний и марганец. Например, для сварки низкоуглеродистых сталей используют сварочные проволоки Св-08ГА, Св-10ГА, Св-10Г2, Св-10ГС, Св-12ГС.

Вводить Si и Mn в сварочную ванну можно из электродного покрытия или керамического флюса, где данные элементы содержатся в виде ферросплавов – Fe-Mn, Fe-Si. В составе керамического (неплавленного) флюса содержание металлических добавок ограничивают до 20 % во избежание перехода дугового процесса в электрошлаковый.

Введение Si и Mn в сварочную ванну в небольших количествах (до 1%) возможно за счет восстановительных процессов. Для перехода из флюса кремния в сварочную ванну в количестве (0,1 ¸ 0,2) % необходимо иметь во флюсе двуокиси кремния не менее (40 ¸ 45) %. Для перехода марганца из флюса в сварочную ванну в количестве (0,3 ¸ 0,4) % надо иметь во флюсе закиси марганца не менее (35 ¸ 38) %.

При использовании бескремнистого флюса, содержащего двуокись титана TiO₂ = (10 ¸ 20) %, возможен переход титана в сварочную ванну в количестве (0,02 ¸ 0,10) %.

Диффузионное (физическое) раскисление основано на образовании комплексных оксидов на поверхности раздела фаз шлак-металл. Образовавшиеся комплексные соединения переходят в шлаковую фазу. Для удаления FeO из сталей необходимо иметь в шлаке свободные кислотные оксиды – SiO₂ или TiO₂. Реакция протекает следующим образом:

[FeO] + (SiO₂) ® (FeO×SiO₂). (4.29)

Диффузионное раскисление протекает медленно. С увеличением содержания в шлаке SiO₂ шлак становится густым, длинным, малоподвижным. Для увеличения его химической активности повышают содержание в нем CaF₂ или заменяют часть SiO₂ на TiO₂. По своему характеру SiO₂ и TiO₂ сильные кислотные оксиды, но если SiO₂ увеличивает вязкость шлака, то TiO₂ ее уменьшает. Кроме того, замена SiO₂ на TiO₂ улучшает сварочно-гигиенические условия труда, так как образующийся при изготовлении флюса и в процессе сварки SiF₄ существует в газообразном состоянии до температуры –95 ⁰С, а ТiF₄ - только до +290 ⁰С. Следовательно, в зоне дыхания сварщика ТiF₄ будет отсутствовать.

Для повышения химической активности шлака его еще могут раскислять, например, следующим образом:

(FeO×SiO₂) + (Mn) ® (MnO×SiO₂) + [Fe]. (4.30)

Диффузионное раскисление в процессе сварки не играет большой роли, оно сопровождает химическое раскисление, способствуя большему удалению продуктов раскисления из сварочной ванны.

Раскисление цветных металлов осуществляется как и сталей химическим и диффузионным путем.

При сварке медных сплавов в принципе можно использовать те же раскислители, что и при сварке сталей, так как сродство меди к кислороду меньше, чем у железа. Но коэффициент теплопроводности меди почти в 10 раз больше, чем у низкоуглеродистых сталей. Поэтому скорость охлаждения больше, а время существования сварочной ванны соответственно меньше. Следовательно, для лучшего раскисления надо применять более сильные раскислители.

Диффузионное раскисление осуществляется за счет использования во флюсах борной кислоты Н₃ВО₃ или буры Na₂B₄O₇×10H₂O. В этом случае образуются бораты ZnO×B₂O₃, Cu₂O×B₂O₃, MnO×2B₂O₃, удаляемые в шлаковую фазу.

Никелевые сплавы используются главным образом в химической промышленности. Поэтому в металле шва не должно быть шлаковых включений. Никель имеет высокую чувствительность к примесям (прежде всего к углероду и сере) и растворенным газам. Сварка в среде аргона в настоящее время является основным способом сварки никеля и его сплавов. При этом применяют комплексное легирование титаном, алюминием, кремнием, марганцем (£ 1,5 %), магнием (£ 0,1 %) путем использования соответствующей проволоки.

Титан и его сплавы раскисляют только соответствующей проволокой.

Используют комплексное легирование алюминием (до 1%), цирконием (до 1%), рением (Re £ 0,2 %), редкоземельными металлами (иттрием U, гадолинием Gd), гафнием Hf.

Алюминий и его сплавы раскисляют растворением алюминиевой пленки во флюсе. Входящий во флюс криолит – Na₃AlF₆ при температуре 1000 ⁰С (средняя температура сварочной ванны при дуговой сварке алюминия) растворяет до 20 % от своего веса Al₂O₃. Входящие в состав флюсов фтористые и хлористые соли приводят к образованию HCl и HF, которые переводят Al₂O₃ в летучее соединение. Кроме того, при взаимодействии Al₂O₃ с фтористыми солями образуется оксифторид алюминия переменного состава Al_xO_yF_z, легко растворяющийся в шлаке.

ДАЛЕЕ: 4.6. Легирование металла шва при сварке плавлением