Книги по строительству и ремонту

Ручная дуговая сварка

Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

9.4. Взаимодействие металла со шлаком и газами

Распавляемое при сварке электродное покрытие кроме шлака выделяет газы, осуществляя, таким образом, газошлаковую защиту металла. В зависимости от состава покрытия или флюса может выделяться значительное количество газа и меньшее количество шлака, или наоборот. В первом случае покрытиё называют газозашитным, а во втором— шлакозащитным. Обычно применяют смешанную защиту. Металлургическая обработка металла выделяющимися при сварке шлаком и газами заключается в процессах раскисления, легирования и рафинирования металла шва.

Раскисление — это освобождение стали от кислорода, попадающего в ванну из воздуха, покрытий и других источников. В процессе сварки происходит осаждающее раскисление, при котором удаление кислорода из расплавляемого металла капли или ванпы осуществляется реакциями с другими элементами, более активно взаимодействующими с кислородом, чем железо. Удаление кислорода происходит путем восстановления железа из оксида FeO по реакциям:

FeO -f Mn = MnO + Fe;     2FeO +Si = SiO2 + 2F; FeO-f C = CO + F.

При этом MnO и SiO2 переходят в шлак, а СО — в атмосферу. Процесс идет беспрерывно: окисление Fe идет в передней части ванны, где температура более высокая, а восстановление железа из оксида — в задней части, где температура более низкая. Наряду с осаждающим раскислением происходит процесс диффузионного раскисления путем реакции между оксидом железа и другими оксидами

FeO, таким образом, связывается в стойкий силикат, который переходит в шлак. При большом содержании в шлаке силиката кремния реакция может пойти в обратную сторону, и металл будет окисляться, растворяя FeO. Поэтому содержание 5Юг в шлаке должно быть в количестве, необходимом для диффузионного раскисления. Следует иметь в виду, что SiO2 делает шлак «длинным», малоподвижным и ухудшает его газопроницаемость. При необходимости добавляют в покрытие другие материалы, повышающие жидкотекучесть шлака. Из приведенных выше химических реакций видно, что раскисление металла при сварке осуществляется при введении в покрытие химических элементов-раскислителей: Mn, Si, Al, T и др. в виде порошка или ферросплавов (сплавов с железом), а также при увеличении содержания этих элементов в электродных стержнях.

Легирование металла шва различными полезными примесями для улучшения его качества осуществляется путем введения полезных элементов в электродные стержни или проволоку, а также в состав электродного покрытия. Такие элементы, как кобальт, никель и др., полностью усваиваются наплавленным металлом. Элементы Мп и Si, участвующие в раскислении, при их достаточной концентрации в шлаке в электродном металле также частично усваиваются, переходя в сварной шов.

Рафинирование металла шва заключается в освобождении его от вредных примесей, главным образом от серы и фосфора, которые попадают в ванну из основного металла, электродного стержня и покрытия, проволоки и флюса. Сера может остаться в шве в виде сульфида железа FeS, располагаясь между кристаллами стали. Это приводит к появлению горячих трещин в стали (см. § 9.7). Фосфор, находясь в шве в виде фосфидов Fe3P H^Fe2P, снижает его ударную вязкбсть, особенно при низкой температуре, поэтому удаление из шва серы и фосфора необходимо. Это осуществляется путем связывания серы и фосфора в химические соединения, не растворимые в стали и удаляемые в шлак, по реакциям:

FeS + Mn = MnS -f Fe;

2Fe3P + 5FeO = P2O8 + 9Fe? ЗСаО -f PaO6 = Ca3P2O8.

При этом MnS, CaS и CasP2O8 переходит в шлак. Следует контролировать состав применяемых для ^вар-кн материалов (металла, покрытая, флюса) и не допускать содержания в них серы и фосфора выше норм, установленных стандартами. Металл шва, выполненного электродами с защитным покрытием или сваркой под флюсом, обладает высоким качеством. Если в мартеновской кипящей стали кислорода содержится 0,01—0,02 и азота 0,001—0,008 %, а в металле, наплавленном незащищенной дугой, соответственно 0,!J—0,7 и 0,12—0,18 %, то в металле, наплавленном защищенной дугой электродами УОНИИ-13/45, кислорода содержится не более 0,02—0,03 и азота 0,02—0,05 %; при сварке под флюсом их содержится еще меньше. Показатели механических и других свойств   наплавленного металла обычно выше показателей основною металла, поэтому сварное стыковое соединение, как правило, равнопрочно основному металлу. При сварке неплавящимся вольфрамовым электродом в инертном газе (аргоне или гелии) металлургический процесс протекает без участия элементов, поступающих из воздуха или из электродного покрытия. Возможно только взаимодействие с оксидом железа FeO, находящимся в стали и в присадочной проволоке, а также с водоро-дом, растворенным в стали или находящимся на ее поверхности в виде влаги и ржавчины. При взаимодействии FeO с углеродом образуется СО, который вызывает пористость. Этому способствует водород, его растворимость в ванне повышается с уменьшением ее раскисленности (отсутствие раскисляющих элементов Мп, Si и др.). При кристаллизации водород не успевает выделиться, образуя поры. Для борьбы с пористостью при аргонодуговой сварке вводят в ванну присадочную проволоку с увеличенным количеством элементов раскислителей. Применяют также смеси газов, добавляя в состав аргона 10—15 % углекислого газа или 5 % кислорода. Эти добавки бурно окисляют углерод, вызывая кипение ванны, в результате чего пузырьками газа выносится СО и Н2 в атмосферу. Кроме того, кислород уменьшает поверхностное натяжение капель металла, перенос их становится мелкокапельным или даже струйным, что наряду с уменьшением содержания водорода способствует лучшему формированию шва. Кислород также соединяется с водородом, образуя не растворимые в стали соединения, уходящие в шлак.