Раздел V. ПРЕВРАЩЕНИЯ В МЕТАЛЛАХ И ТЕРМОДЕФОРМАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ СВАРКЕ

НАЗАД: 5.1.1. Поры в металле шва

5.1.2. Шлаковые включения в металле шва

Шлаковые (неметаллические) включения относятся к дефектам шва, снижающим механические свойства металла. Для анализа механизма образования неметаллических включений рассмотрим процесс контактирования металла и шлака.

При поступлении в сварочную ванну капель электродного металла газодинамическим напором дуги жидкий металл перемещается в сторону противоположную направлению сварки, т.е. он натекает на кристаллизующийся металл шва.

Вследствие тормозящего действия растущих кристаллов и большого удельного веса металла скорость его натекания замедляется. В нижний части сварочной ванны слои металла и шлака тонкие, разделение шлака и металла происходит очень быстро. Шлак, имея более низкую температуру затвердевания и малый удельный вес (2,3 ¸ 3,8 г/см³), легче поддается действию газового потока и очень быстро перемещается по поверхности металла относительно тонким, но постепенно утолщающимся слоем.

Происходит промывка металла шлаком. При этом в контакте со шлаком в то или иное время бывают все точки шва. Кроме того, разделению шлака и металла способствует выталкивающее действие растущих кристаллов. Таким образом, затвердевание сварочного шлака не должно быть основной причиной появления крупных шлаковых включений.

Причинами крупных шлаковых включений являются:

- наличие серной строчки в основном металле;

- узкая разделка свариваемых деталей;

- неправильные манипуляции электродом при РДС (возвратные движения в области частично закристализовавшегося металла сварочной ванны могут привести к нарушению фронта растущих кристаллов, создают новые полости жидкости, удаление из которых попавших туда шлаковых частиц затруднено);

- неравномерное плавление электродного покрытия;

- плохая зачистка корня шва при сварке на флюсовой подушке.

Кроме того, крупные шлаковые включения в металле шва могут быть при сварке под флюсом мощной трехфазовой дугой. В этом случае сильный газодинамический напор может очень глубоко загнать какое-то количества шлака на дно сварочной ванны, откуда этот шлак не успевает всплыть на поверхность металла.

Крупные шлаковые включения мало снижают статическую прочность металла, но создают концентрацию напряжений и могут вызвать разрушение при знакопеременных и динамических нагрузках.

Шлаковые включения, вносимые в шов извне, встречаются довольно редко.

Значительно чаще появляются шлаковые включения в результате реакций в сварочной ванне, т.е. основные шлаковые включения имеют эндогенный характер. Эти мелкодисперсные включения, нерастворимые в металле, скапливаются в маточном растворе. Они взаимодействуют между собой и остаются в виде шлаковых легкоплавких прослоек между дендритами.

Это ухудшает металлическую связь между кристаллитами, ведет к снижению механических свойств металла, к его хладноломкости и красноломкости.

К числу простых соединений, загрязняющих швы, относятся оксиды, нитриды, сульфиды, фосфиды. Кроме того, могут быть комплексные соединения – силикаты, титанаты и т.д. Удаление продуктов реакций зависит от их свойств – удельного веса и температуры плавления. Легкоплавкие частицы коагулируют и успевают всплывать. Очень мелкие частицы (SiO₂, Al₂O₃) не коагулируют и распределяются в металле равномерно.

Удалению продуктов реакций способствует интенсивная промывка металла шлаком. Кислые продукты раскисления (SiO₂, силикаты) лучше удаляются основными шлаками, продукты типа FeO и MnO – кислыми. Образование неметаллических включений (оксидов, нитридов) идет и в твердом металле. Такие включения уже удалить невозможно. Твердый металл до 90 % кислорода и азота содержит в виде химических соединений.

Причинами мелких шлаковых включений являются:

- повышенное насыщение жидкого металла сварочной ванны кислородом и азотом;

- высокая химическая активность шлаковой фазы;

- плохое удаление продуктов раскисления;

- сульфидные и фосфидные включения в шлаковой фазе.

О степени защиты зоны плавления от воздуха и качестве удаления продуктов реакции при различных способах сварки можно судить по содержанию табл. 20.

Таблица 20. Содержание газов в металле шва при дуговой сварке, см³/100 г

№ п/п	Способ сварки	Общее количество газов	в том числе
			кислорода	азота	водорода
					диффуз.	остат.
1.	СОДГП	155	50	90	2,5	1,25
2.	Под флюсом АН-348А	132,5	112	14,5	2,5	3,5
3.	Электродами с кислым покрытием	107,5	72,5	21	9	5
4.	Электродами с рутиловым покрытием	70¸110	42¸84	24¸32	28¸44	12¸16
5.	Электродами с целлюлозным покрытием	70¸110	28¸70	16¸24	25¸50	14¸25
6.	Электродами с основным покрытием	50¸70	13¸18	32¸40	2¸4	3¸5
7.	В СО2 пров Св-08Г2С Æ 1,0 мм на min режимах	60	40	16	1,5	2,5
8.	В СО2 пров Св-08Г2С Æ 1,6 мм на мах режимах	95	65,5	20	3	5,6
9.	ПП-АН-3 самозащитной	95	63	24,5	3	5,6
10.	ПП-АН-4 в СО2	51	35	9,5	2,5	4

Исходная концентрация газов в сталях, см3/100 г;	Кислород	Азот	Водород
	£ 56	£ 13	3 ¸ 8

В ЦНИИТМАШе [18] предложено оценивать способность продуктов окисления к коагуляции и выделению из металла по составу металла шва (см. рис. 54). Считают, что наилучшее удаление продуктов раскисления наблюдается при соотношении в металле шва [Mn]/[Si] = 2,4 ¸ 3,1.

Рис.54. Характер продуктов раскисления при разном содержании Si и Mn в металле шва. Заштрихована область рекомендуемых составов металла шва

В этом случае обеспечиваются наилучшие пластические свойства металла шва. Данное положение подтверждается работами, проведенными на кафедре сварки РИСХМ (ДГТУ) [19] (см. табл. 21).

Таблица 21. Влияние содержания Si и Mn в металле шва на его ударную вязкость при сварке в СО₂

№ п/п	[Mn], %	[Si], %	[Mn + Si], %		KCU, Дж/см^2
1	0,59	0,26	0,85	2,25	105
2	1,03	0,43	1,46	2,40	121
3	0,55	0,18	0,73	3,06	161
4	0,53	0,16	0,69	3,21	131
5	0,43	0,19	0,62	2,26	100
6	0,53	0,33	0,86	1,61	118

ДАЛЕЕ: 5.1.3. Горячие трещины при сварке