0,0030

0,0025

Q0020

0,0015

0,0010

н 1-

0,040

Nult

,Fe , , ,

т т 1000 штошс

Таким образом, меры предупреждения пористости в металле шва можно разбить на две группы: меры, способствующие уменьшению степени пересыщения металла газом или подавлению реакций, идущих с газовыделением, и меры, способствующие наиболее полному удалению газовых пузырей из сварочной ванны или подавлению их образования.

Чтобы уменьшить пересыщение металла газом, следует стремиться понизить концентрацию газа в зоне сварки, лучше всего устранив возможные источники поступления газа; уменьшить абсорбцию газа металлом путем уменьшения скорости или времени взаимодействия за счет соответствующего регулирования технологических параметров (силы тока, скорости сварки и т. п.); повысить стандартную растворимость газа, легируя металл соответствующими элементами, что, уменьшая разность между равновесной концентрацией и концентрацией пересыщения, должно понизить вероятность выделения газа из расплава (пузырькового кипения). В зависимости от газа, вызывающего пористость, и условий сварки эти задачи могут быть решены различным образом.

Исследования показали, что образование пор вызывают азот, водород и отчасти СО, образующиеся в результате реакции окисления углерода С + О = СО. При сварке углеродистой стали основная роль принадлежит водороду; при сварке аустенитной стали и сплавов, в которых растворяется значительно больше водорода, на первый план выступает роль азота. Мнение о том, что при удлинении дуги и других нарушениях защиты появление пористости связано с окислением металла и образованием СО, не подтверждается опытом [1,3].

Чтобы понизить содержание азота, практически единственным источником которого является воздух (за исключением сварки азотосодержащих стали и сплавов), необходимо обеспечить максимально возможную защиту металла от воздуха. Другой путь - легирование ванны нитридобра-зующими элементами - титаном, хромом и др.

Исключение из зоны сварки водорода реализуется труднее, поскольку он обычно содержится в сварочных материалах. Средствами снижения концентрации водорода служат применение сварочных материалов с минимально возможной концентрацией водорода (водородсодержащих веществ); прокалка или просушка перед сваркой электродов флюсов (эффективность этого способа иллюстрируется рис. 13); тщательная очистка поверхности свариваемого и присадочного металла от окислов, адсорбированной влаги, органических загрязнений и т. п.; введение в покрытия и флюсы фтористых соединений, например фтористого кальция (плавикового шпата), способных переводить водород в нерастворимые в металле соединения с фтором.

Существуют и другие металлургические пути борьбы с водородной пористостью. Например, введение в зону сварки окислителей, с тем чтобы согласно

реакции 11%-\--2 0 = Щ0 уменьшить парциальное давление водорода и тем самым абсорбцию водорода металлом.

Специфический характер носит образование пористости при сварке химически активных металлов - алюминия, титана и их сплавов и др., где роль поверхностных загрязнений особенно велика.

Известно, что поры образуются при сварке этих металлов встык, однако отсутствуют при проплавлении целого куска того же металла. Отсюда следует.

OOSS

0,030 0,015

OfilO 0,015

- 0.010

- OflOS

Рис. 16. Растворимость газов в железе при давлении 1 кгс/см

что поры вызываются загрязнениями, расположенными на торцах стыкуемых листов, а не на их поверхности. Механизм этого явления можно представить в следующем виде.

При нагреве свариваемых кромок в процессе сварки по мере повышения температуры в местах скопления загрязнений начинаются термическое разложение органических веществ, испарение адсорбированной влаги и другие процессы, приводящие к газообразованию. Газы легко удаляются с наружных поверхностей, но могут задерживаться между кромками, особенно если зазор между ними мал, что обычно имеет место вследствие термического сжатия соединяемых деталей.

При плотно сжатых кромках (при отсутствии свободного выхода газа) в естественных неровностях их поверхностей появляются микрообъемы, заполненные газом, который находится под давлением. С повышением температуры возрастает давление газа, вызывая локальную деформацию нагретого и потому достаточно пластичного металла и образование между кромками сферических газовых пузырей. Все это происходит на участках впереди источника теплоты (дуги), где температура хотя и достаточно высока, чтобы вызвать газообразование, но еще не достигла точки плавления металла. Но по мере продвижения ванны

Рис. 17. Схема образования пор при сварке встык алюминиевых сплавов

эти газовые зародыши могут захватываться расплавленным металлом, развиваться и всплывать или оставаться в металле шва в виде газовых пор (рис. 17). При отсутствии загрязнений или адсорбированной влаги на кромках поры, естественно, не образуются.

Роль зазора между кромками иллюстрируется опытом по сварке встык образцов из сплава АМГ с жестко заданным зазором различной величины и с искусственно нанесенными на кромки загрязнениями. При отсутствии зазора наблюдалась значительная пористость в металле шва и в зоне несплавления (при сварке с неполным проплавлением). В случае небольшого зазора (менее 0,1 мм) были зафиксированы поры в металле шва (не успевшие всплыть газовые пузырьки). Если зазор превышал 0,1 мм, поры, как правило, отсутствовали.

Далеко не всегда удается устранить источники попадания газов в зону сварки или снизить их содержание в атмосфере дуги до безопасного уровня. В таком случае возникает задача управления кинетикой реакций так, чтобы в возможно большей степени уменьшить абсорбцию газов расплавом. Очевидно, содержание газа будет тем меньше, чем меньше скорость реакции и время взаимодействия.

Из уравнения (21) следует, что поглощение газа будет тем меньше, чем больше скорость плавления металла и чем меньше поверхность ванны F или произведение PpF в целом (см, рис. 6). Решающим фактором, влияющим на эти параметры, является скорость сварки.

Другая группа способов предупреждения пористости основывается на управлении процессом роста газовых пузырьков или их удаления (всплывания) из ванны.

Развитию газовых зародышей препятствует внешнее давление (давление атмосферы и столба жидкости) плюс поверхностное (капиллярное) давление:

Р = РжЛ+Ратм +

где - плотность расплава; h - глубина расположения зародыша над уровнем расплава; а - поверхностное натяжение; г - радиус зародыша.

Поэтому, повышая внешнее давление при сварке в камере с инертной атмосферой, можно подавить развитие газовых пузырьков в расплаве и таким образом уменьшить или даже полностью устранить пористость в металле шва. Наряду с возникновением и ростом газовых пузырьков в расплаве идет их удаление (вспльшание) из ванны. Степень пористости определяется в конечном счете разностью скоростей этих процессов. К сожалению, процесс удаления газовых (и неметаллических) включений почти не исследован. Попытки применить уравнение Стокса нельзя признать оправданными, так как это уравнение, описывающее вспльшание сферических частиц под действием архимедовой силы (разности плотностей), не учитывает неизотермических условий в ванне, конвективных потоков в ней, отклонение формы пузырьков от сферической формы и их рост во время всплывания в результате диффузии растворенных газов.

Практически регулирование процесса удаления газовых пузырьков возможно следующими способами.

1. Интенсификацией процесса газовыделения. Чем интенсивнее происходит выделение газа, тем большее его количество успевает удалиться из металла до затвердевания последнего, если, конечно, интенсивность уменьшается со временем и газовыделение прекращается до начала затвердевания металла. На этом, например, основано введение в покрытие рутиловых электродов минералов, содержащих кристаллизационную воду (слюда, тальк и т. п.), с тем, чтобы повысить абсорбцию водорода и усилить его выделение в высокотемпературной зоне сварочной ванны вдали от фронта кристаллизации, где удаление газовых пузырьков затруднено [3].

2. Увеличением времени существования металла в ванне за счет увеличения размеров (длины) ванны и замедления скорости сварки.

3. Уменьшением внешних препятствий для удаления пузырьков (твердых поверхностей на пути их всплывания). Схематически это показано на рис. 18. Увеличение угла скоса верхней кромки при сварке сплава АМгб привело к уменьшению пористости за счет более свободного удаления газовых пузырьков:

Рис. 18. Схема всплывания газовых пузырьков при горизонтальной сварке

0° О

Объем пор. см/ЮО г 0,72

15 0,43

30 0,31

45 0.16

Из сказанного видно, что влияние параметров режима на образование пористости в металле шва может проявляться по-разному в зависимости от условий поглощения и вьщеления газов и удаления газовых пузырьков.

Поэтому нельзя дать однозначных общих рекомендаций по выбору режима сварки.

Так, например, с увеличением скорости сварки уменьшается поверхность ванны (поверхность контакта металл-газ) и время взаимодействия. В результате затрудняется как абсорбция газа из атмосферы, так и всплывание (удаление) образовавшихся газовых пузырьков.

Если источником газа является атмосфера, то, очевидно, уменьшение абсорбции газа с увеличением скорости сварки будет способствовать уменьшению

пористости. Однако если газовыделение вызывается поверхностными загрязнениями на свариваемых кромках, то решающее значение получают условия удаления газовых пузырьков из ванны и в этом случае увеличение скорости сварки будет, наоборот, способствовать увеличению пористости.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МЕТАЛЛА СО ШЛАКОМ

При расплавлении сварочного флюса, электродного покрытия, сердечника порошковой проволоки образуется шлак. Основное назначение сварочного шлака - изоляция расплавленного металла от воздуха. Однако флюсы, покрытия и т. п. выполняют и другие не менее важные функции - стабилизируют дугу, способствуют формированию шва, осуществляют металлургическую обработку расплавленного металла - его раскисление и легирование. Кроме того, шлаки часто содержат окислы и другие компоненты, способные взаимодействовать с металлом. Поэтому понимание металлургических реакций, протекающих между металлом и шлаком, имеет большое значение для правильной организации сварочного процесса.

Окислительное действие компонентов сварочных материалов. Сварочные материалы (флюсы, покрытия и т. п.) содержат по ряду причин окислы, карбонаты и другие компоненты, способные

окислять металл. Ю. Потери легирующих элементов

Окислительное действие некоторых наиболее часто встречающихся компонентов сварочных материалов характеризуется данными табл. 10, в которой приведены потери (1 - т]) углерода, марганца, кремния и хрома из проволоки СВ-18ХГСА (0,21% С; 1,08% Мп; 1,0% Si; 1,05% Сг) при сварке электродами с покрытиями, составленными из одного компонента и с силикатом натрия в качестве связующего; относительная масса покрытия = 0,3.

Опыт иллюстрирует сильное окислительное действие окислов железа (гематита), различное поведение марганца и кремния, особенно наглядно проявляющееся при изменении относительной массы покрытия (рис. 19). Заметные потери марганца при нейтральном покрытии из плавикового шпата по всей вероятности объясняются наличием повышенного количества силиката натрия (вводимого во избежание растрескивания покрытия при сушке). Увеличение потерь (уменьшение коэффициента перехода ц) с увеличением относительной массы шлака X, косвенно характеризуемой относительной массой покрытий объясняется рядом причин.

Во-первых, от X зависят равновесные концентрации реагентов. Роль этого фактора покажем на примере реакции окисления - восстановления марганца. Распределение марганца между шлаком и металлом

(%МпО) ,о/рпчРеО

мп=-геттт-=мп(%РеО)

[%Мп]

YmhO

Примем, что в шлаке содержится 10% FeO и 15,5% МпО, а исходные содержания марганца в металле с = 1,6% и в шлаке с = 0,775-15,5 = 12%. Отнесем равновесие к температуре, равной 1950 К (Кп = 18)- Тогда Ljvjj = == 1,8-10-6,15 л; ПО, а равновесное содержание марганца согласно уравнению (1) в зависимости от х или (понимая под относительную массу расплавленного шлака), будет

Кп(Х)..... 0,5 0.1 0.2 0,5 1.0

[% Мп] . .0,34 0.23 0.15 0.135 0.12

Уменьшение равновесной концентрации с ростом k, увеличивая разность -Ср, должно привести к увеличению скорости реакции согласно уравнению (2) и соответственно к увеличению потерь марганца.

Во-вторых, с возрастанием увеличивается поверхность контакта металл- шлак как на стадии электрода (за счет удлинения втулки из нерасплавившегося

1 0,8

0,4 0,2

0,6 0,4 0,2 О

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 О)

О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 Нп

Рис. 19. Зависимость коэффициентов перехода т) марганца и кремния от относительной массы покрытия:

а - плавиковый шпат: 6-20% плавикового шпата и 80% мрамора; в - мрамор; г - рутил; д - кварцевый песок; е - гематит

покрытия), так отчасти и в ванне (за счет удлинения дуги, увеличения ее мощности и размеров ванны).

В-третьих, с увеличением уменьшается степень изменения состава шлака в процессе сварки вследствие перехода в него окислов, образующихся при сварке.

В случае сильно окисленного шлака с увеличением k увеличивается его окислительная способность (больше содержится РеаОз) (табл. 11).

Большое значение имеет также смачивание шлаком расплавленного металла. Однако этот вопрос изучен весьма мало.

Окисление примесей металла сопровождается увеличением содержания кислорода, как это показано в качестве примера на рис. 20.

Большое практическое значение имеет система мрамор - плавиковый шпат (СаСОз-СаРг), широко применяемая в сварочных материалах (электродных покрытиях, керамических флюсах и т. п.). Окисление металла мрамором зависит от количества СОг, образующейся при диссоциации мрамора, условий контакта COg с расплавленным металлом и химических свойств шлака.

п. Влияние относительной массы шлака на его состав

0,4 Пг1

Рис. 20. Зависимость содержания кислорода от относительной массы покрытия. Покрытие из 20% плавикового шпата и 80% мрамора

С увеличением CaCOg увеличивается р и основность шлака (CaO/SiOg). По отношению к кремнию оба эти фактора действуют одинаково, способствуя окислению кремния (уменьшению

коэффициента перехода т]), а по отношению к марганцу - в противоположные стороны: рост увеличивает окисление, рост основности - уменьшает его, что приводит к образованию максимума на кривых для марганца (рис. 21). Окислительное действие компонентов покрытий и флюсов вызвало применение безокислительных покрытий, не содержащих окислов железа и карбонатов, и без-кислородных флюсов на основе плавикового шпата. Эти материалы применяются

% СаСОз о

60 % СаСОз

Рис. 21. Зависимость коэффициентов перехода марганца и кремния от содержания мрамора в бинарном покрытии мрамор-плавиковый шпат {ka = 0,3). Стержень электродов из проволоки Св-18ГСА {!) и СВ-12Х18Н10Т (2)

главным образом для сварки специальной стали и металлов, обладающих большим сродством к кислороду.

Влияние основности шлака. Рассмотрим подробнее вопрос о роли основности шлака (отношения СаО/ЗЮг).

Переход марганца и кремния при постоянной концентрации окислителя (мрамора) в покрытии электродов но при изменяющейся основности, показан на рис. 22.