Главная/Сварка и все для нее/Сварочная проволока/Проволока сплошного сечения для автоматической сварки под флюсом и газовой сварки
Проволока сплошного сечения для автоматической сварки под флюсом и газовой сварки
Автоматическая сварка под флюсом
Принципы процесса, характеристики дуги
При сварке под флюсом дуга горит между сварочной проволокой и свариваемым изделием под слоем гранулированного флюса . Ролики специального механизма падают в электродную проволоку в зону дуги . Сварочный ток (переменный или постоянный прямой или обратной полярности) подводится к проволоке с помощью скользящего контакта , а к изделию – постоянным контактом. Сварочная дуга горит в газовом пузыре, который образуется в результате плавления флюса и металла. Кроме того, расплавленный металл защищен от внешней среды слоем расплавленного флюса . По мере удаления дуги от зоны сварки расплавленный флюс застывает и образует шлаковую корку, которая впоследствии легко отделяется от поверхности шва.
Особенностью процесса электродуговой сварки по флюсу является значительно меньшая толщина слоя флюса, чем при сварке под флюсом. На металлической подкладке уложены свариваемые пластины, засыпанные тонким слоем флюса. Дуга горит в условиях свободного доступа воздуха. Расплавляемый металл проволоки при переходе через дуговой промежуток не имеет шлаковой защиты. Металл сварочной ванны при остывании образует шов. Металл сварочной ванны и шов покрыты тонким слоем шлака. При сварке по флюсу металл значительно хуже защищен от воздуха, чем в процессе сварки под флюсом. Кроме того, излучение дуги и интенсивное выделение дыма и паров оказывают вредное действие на обслуживающий персонал.
Процесс электродуговой сварки с магнитным флюсом основан на явлении электромагнитной индукции. Во время горения дуги между свариваемым изделием и проволокой про ходящим по ней электрическим током возбуждается магнитное поле. Под его действием к проволоке притягивается магнитный флюс. Вместе со сварочной проволокой он подается в дугу, расплавляется там и поступает в сварочную ванну. Капли расплавленного электродного металла переходят через дуговой промежуток покрытые шлаком, образовавшимся при плавлении флюса. Магнитный флюс обеспечивает также некоторую газовую защиту зоны сварки. При затвердевании металла сварочной ванны образуется сварной шов, покрытый шлаковой коркой. Процесс электродуговой сварки с магнитным флюсом сходен со сваркой самозащитной порошковой проволокой, а покрытая магнитным флюсом проволока подобна бесконечному плавящемуся электроду с покрытием.
В рассмотренных способах сварки с применением флюса источником тепла служит сварочная дуга. На ином принципе основана электрошлаковая сварка. При этом способе превращение электрической энергии в тепловую происходит в шлаковой ванне, являющейся проводником электрического тока. При прохождении электрического тока через жидкий шлак в последнем выделяется тепло, частично идущее на плавление металла.
При электрошлаковой сварке в пространстве между кромками свариваемого изделия и формирующими устройствами находится ванна расплавленного шлака, в которую погружен металлический электрод. Проходя между электродом и основным металлом, электрический ток нагревает шлак в ванне. Превращение электрического тока в теплоту происходит в шла ке, на контактных поверхностях шлак - металл и в самом металле. При этом расплавляются как погруженная в шлак часть электрода, так и кромки изделия. Расплавленные основной и электродный металлы собираются на дне шлаковой ванны в виде металлической, ванны. При ее затвердевании образуется шов, соединяющий кромки изделия.
Электрод, по мере его расплавления, подается в шлаковую ванну, а уровень металлической ванны постепенно повышается. При этом зона сварки перемещается вверх до тех пор, пока изделие не будет полностью сварено. При электрошлаковой сварке металл сварочной ванны и расплавляемый электродный металл защищены от действия воздуха слоем жидкого шлака. Об эффективности защиты зоны сварки от действия воздуха в случае сварки стали можно судить по содержанию азота в металле шва. Среднее содержание азота в швах сваренных на углеродистой стали электродуговой сваркой под флюсом, составляет 0,02%, электродуговой с магнитным флюсом - 0,02 - 0,03 и электрошлаковой - 0,01%.
Оборудование (характеристики источника питания, тип тока)
Промышленность выпускает два типа аппаратов для дуговой сварки под флюсом:- с постоянной скоростью подачи электродной проволоки, не зависимой от напряжения на дуге (основанные на принципе саморегулирования сварочной дуги);
- аппараты с автоматическим регулированием напряжения на дуге и зависимой от него скоростью подачи электродной проволоки (аппараты с авторегулированием).
В сварочных головках с постоянной скоростью подачи при изменении длины дугового промежутка восстановление режима происходит за счет временного изменения скорости плавления электрода вследствие саморегулирования дуги. При увеличении дугового промежутка (увеличение напряжения на дуге) уменьшается сила сварочного тока, что приводит к уменьшению скорости плавления электрода.
Уменьшение длины дуги вызывает увеличение сварочного тока и скорости плавления. В этом случае используют источники питания с жёсткой вольтамперной характеристикой.
В сварочных головках с автоматическим регулятором напряжения на дуге нарушение длины дугового промежутка вызывает такое изменение скорости подачи электродной проволоки (воздействуя на электродвигатель постоянного тока), при котором восстанавливается заданное напряжение на дуге. При этом используют аппараты с падающей вольтампер ной характеристикой.
Аппараты этих двух типов отличаются и настройкой на заданный режим основных параметров: сварочного тока и напряжения на дуге. На аппаратах с постоянной скоростью подачи заданное значение сварочного тока настраивают подбором соответствующего значения скорости подачи электродной проволоки. Напряжение на дуге настраивают изменением крутизны внешней характеристики источника питания.
Необходимую скорость подачи электродной проволоки устанавливают или сменными зубчатыми шестернями (ступенчатое регулирование), или изменением числа оборотов дви гателя постоянного тока (плавное регулирование). Для расширения пределов регулирования скорости подачи в последнее время - часто используют плавно-ступенчатое регулирование (двигатель постоянного тока и редуктор со сменными шестернями).
На аппаратах с автоматическим регулятором напряжение на дуге задается и автоматически поддерживается постоянным во время сварки.
Заданное значение сварочного тока настраивают изменением крутизны внешней ха рактеристики источника питания.
Настройка других параметров режима сварки (скорости сварки, вылета электрода, высоты слоя флюса и др.) аналогична для аппаратов обоих типов и определяется конструктивными особенностями конкретного аппарата.
Конструкция соединения
Форму разделки кромок для механизированной сварки под флюсом выбирают в зависимости от толщины свариваемых изделий и в соответствии с ГОСТ 8713-79 "Швы сварных соединений. Автоматическая и полуавтоматическая сварка под флюсом. Основные типы и конструктивные элементы", ГОСТ 11533-75 "Автоматическая и полуавтоматическая сварка под флюсом. Соединения сварные под острыми и тупыми углами".Область применения
Механизированная сварка под флюсом является одним из основных способов сварки плавлением. Если в первые годы освоения сварку под флюсом применяли только при изготовлении сварных конструкций из низкоуглеродистых сталей, то сейчас успешно сваривают низколегированные, легированные и высоколегированные стали различных классов, сплавы на никелевой основе. Освоена сварка под флюсом титана и его сплавов. Под флюсом сваривают медь и ее сплавы. По флюсу, а в последние годы и под флюсом сваривают алюминий и его сплавы. Изделия, полученные сваркой под флюсом, надежно работают при высоких температурах и в условиях глубокого холода, в агрессивных средах, в вакууме и в условиях высоких давлений.Наиболее выгодно использовать механизированную сварку под флюсом при производстве однотипных сварных конструкций, имеющих протяженные швы и удобных для удержания флюса. Экономически целесообразнее сваривать под флюсом металл толщиной от 1,5 -2,0 до 60 мм. Нецелесообразно сваривать конструкции с короткими швами.
Способ электрошлаковой сварки широко используют в промышленности для соединения металлов повышенной толщины: стали и чугуна различного состава, меди, алюминия, титана и их сплавов. К преимуществам способа относится возможность сварки за один про ход металла практически любой толщины, что не требует удаления шлака и соответствую щей настройки сварочной установки перед сваркой последующего прохода, как при других способах сварки. При этом сварку выполняют без снятия фасок на кромках. Для сварки можно использовать один или несколько проволочных электродов или электродов другого увеличенного сечения. В результате этого достигается высокая производительность и экономичность процесса, повышающиеся с ростом толщины свариваемого металла.
К недостаткам способа следует отнести то, что электрошлаковая сварка технически возможна при толщине металла более 16 мм и за редкими исключениями экономически вы годна при сварке металла толщиной более 40 мм. Способ позволяет сваривать только вер тикальные швы. При сварке некоторых металлов образование в металле шва и околошов ной зоны неблагоприятных структур требует последующей термообработки для получения необходимых свойств сварного соединения.
Присадочные материалы и флюсы
Электродная проволока. Правильный выбор марки электродной проволоки для сварки - один из главных элементов разработки технологии механизированной сварки под флюсом. Химический состав электродной проволоки определяет состав металла шва и, следо вательно, его механические свойства.Для сварки сталей предназначена проволока по ГОСТ 2246-70 "Проволока стальная сварочная". В соответствии с этим ГОСТом выпускают низкоуглеродистую, легированную и высоколегированную проволоку диаметром 0,3; 0,5; 0,8; 1,0; 1,2; 1,4; 1,6; 2,0; 2,5; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0; 8,0; 10,0; 12,0 мм. Проволока поставляется в бухтах массой до 80 кг. На каждой бухте крепят металлическую бирку с указанием завода-изготовителя, условного обозначения проволоки, номера партии и клейма технического контроля. По соглашению сторон проволо ку могут поставлять намотанной на катушки или кассеты. Транспортировать и хранить про волоку следует в условиях, исключающих ее ржавление, загрязнение и механическое по вреждение. Если же поверхность проволоки загрязнена или покрыта ржавчиной, то перед употреблением ее необходимо очистить. Проволоку очищают при намотке ее на кассеты в специ альных станках, используя наждачные круги. Для удаления масел используют керосин, уайт-спирит, бензин и др. Для устранения влаги применяют термическую обработку: прокалку при температуре 100 - 150 °С. ЦНИИТМАШ рекомендует обрабатывать проволоку в 20%-ном растворе серной кислоты с последующей прокалкой при температуре 250 °С 2 - 2,5 ч. Необ¬ходимость в обработке электродной проволоки перед сваркой отпадает, если использовать омедненную проволоку .Для механизированной сварки под флюсом и по флюсу алюминия и его сплавов используют сварочную проволоку, выпускаемую по ГОСТ 7871-75 «Проволока сварочная из алюминия и алюминиевых сплавов». ГОСТ 16130-72 «Проволока и прутки из меди и сплавов на медной основе сварочные» предъявляет требования к проволоке для сварки меди и ее сплавов. Подготовка этих проволок к сварке во многом определяет качество сварного соединения. Как правило, подготовка этих проволок к сварке такая же, как и основного металла. Наилучшие результаты обеспечивает химическая обработка или электро литическое полирование.
Сварочные флюсы. Сварочный флюс - один из важнейших элементов, определяю щих качество металла шва и условия протекания процесса сварки. От состава флюса зависят составы жидкого шлака и газовой атмосферы. Взаимодействие шлака с металлом обусловливает определенный химический состав металла шва. От состава металла шва зависят его структура, стойкость против образования трещин. Состав газовой атмосферы обусловливает устойчивость горения дуги, стойкость против появления пор и количество выде ляемых при сварке вредных газов.
Функции флюсов. Флюсы выполняют следующие функции: физическую изоляцию сва рочной ванны от атмосферы, стабилизацию дугового разряда, химическое взаимодействие с жидким металлом, легирование металла шва, формирование поверхности шва.
Лучшая изолирующая способность - у флюсов с плотным строением частиц мелкой грануляции. Однако при плотной укладке частиц флюса ухудшается формирование поверх ности шва. Достаточно эффективная защита сварочной ванны от атмосферного воздействия обеспечивается при определенной толщине слоя флюса.
Необходимая высота слоя флюса сварки низкоуглеродистых и низколегированных сталей на различных режимах следующая:
Сварочный ток, А …...... 200 – 400
600 – 800 1000 - 1200Высота слоя флюса, мм … 25 – 35
35 – 40 45 - 60В состав флюса вводят элементы-стабилизаторы, повышающие стабильность горения дуги. Введение этих элементов позволяет применять переменный ток для сварки, более широко варьировать режимы сварки.
Химический состав металла шва формируется за счет основного и электродного металлов. Однако состав флюса может привести к заметным изменениям химического состава металла шва. Эти изменения возможны, как. правило, только в пределах долей процента, Для легирования металла шва применяют керамические флюсы.
Формирующая способность флюсов определяется вязкостью шлака, характером ее зависимости от температуры, межфазным натяжением на границе металл — шлак и т. п. Фор мирующая способность в значительной степени зависит от мощности дуги. При сварке мощ ной дугой (ток свыше 1000 А) хорошее формирование обеспечивают «длинные» флюсы, вязкость которых при повышении температуры монотонно уменьшается. При сварке кольце вых швов малого диаметра для предотвращения отекания шлака следует использовать «ко роткие» флюсы, вязкость которых резко уменьшается с повышением температуры. Сущест венное влияние на формирование шва оказывает газопроницаемость флюса, которая опре деляется размерами частиц и насыпной массой флюса. Рекомендуемые размеры частиц стекловидного флюса в зависимости от мощности дуги, обеспечивающие удовлетворитель ное формирование шва, приведены ниже.
Сварочный ток, А…....... 200 – 600 600 -1200
Грануляция частиц, мм… 0,25 - 1,6 0,4 - 2,5
По назначению флюсы подразделяются:
- для сварки низкоуглеродистых и низколегиро ванных сталей;
- для сварки легированных и высоколегированных сталей;
- для сварки цветных металлов и сплавов.
В зависимости от химического состава флюсы классифицируют по со держанию кремния и марганца.
Низкокремнистые флюсы содержат менее 35% SiO2. При со держании более 1% МnО флюс называют марганцевым. Высококремнистые флюсы содер жат более 35% SiO2; в составе безмарганцевых флюсов менее 1% МnО. Особую группу при классификации флюсов по химическому составу занимают бескислородные флюсы. Постепени легирования различают флюсы пассивные (практически не легирующие металл шва), слаболегирующие (плавленые) и легирующие (керамические). По способу изготовления флюсы подразделяются на плавленые, керамические и механические смеси. По строению частиц плавленые флюсы разделяют на стекловидные (прозрачные зерна) и пемзовидные (зерна пенистого материала белого или светлых оттенков желтого, зеленого, коричневого и других цветов). Пемзовидные флюсы имеют меньшую насыпную массу (0,7 -1,0 кг/дм3), чем стекловидные (1,1-1,8 кг/дм3). Наибольшее применение нашли плавленые флюсы.
Общие требования к флюсу. Флюсы для механизированной сварки должны обеспечивать устойчивое протекание процесса сварки, отсутствие кристаллизационных трещин и пор в металле шва, требуемые механические свойства металла шва и сварного соединения в целом, хорошее формирование шва, легкую отделимость шлаковой корки, минимальное выделение токсичных газов при сварке, а также иметь низкую стоимость и возможность мас сового промышленного изготовления.
Сочетания флюс-проволока
При всем своем многообразии любое сочетание флюс/проволока должно оцениваться по двум основным факторам:• обеспечение требуемого уровня механических свойств металла швов и сварных соединений;
• невысокая стоимость сварочных работ (с учетом производительности процесса, сварочно технологических свойств флюса, расходов на подготовку флюса к сварке и удаление шлаковой корки, санитарно-гигиенических требований и т. п.).
Если сварочно-технологические характеристики процесса сварки определяются в ос новном свойствами флюса, то механические свойства металла швов и сварных соединений зависят от сочетаний "флюс-проволока".
Реакции шлак-металл и газ-металл, восстановление и выгорание элементов
Во время сварки плавлением происходит взаимодействие между жидкими шлаком и металлом. Длительность этого взаимодействия обычно очень невелика. При электродуговой сварке она колеблется от 10 с до 1 мин. При электрошлаковой сварке шлак и металл взаи модействуют значительно дольше — до нескольких минут. Взаимодействие прекращается после затвердевания металла и шлака. Несмотря на кратковременность, реакции взаимо действия между шлаком и металлом при электродуговой сварке могут проходить очень энергично, что обусловливается высокой температурой нагревания металла и шлака, боль шими поверхностями их контактирования и сравнительно большим относительным количе ством шлака. Последнее в среднем составляет 30 - 40% от массы металла при сварке под флюсом и до 10% массы металла при сварке по флюсу. Из-за весьма небольшого расхода флюса при электрошлаковой сварке жидкий металл и шлак взаимодействуют слабо.Взаимодействие между шлаком и металлом описывается реакциями вытеснения из шлака в металл одного элемента другим или распределения между шлаком и металлом. Реакции вытеснения преимущественно ведут к обогащению или обеднению металла шва легирующими элементами, реакции распределения - к образованию в металле шва неме таллических включений.
В процессе реакций вытеснения на поверхностях контактирования жидких металла и шлака взаимодействуют атомы металла и молекулы окислов шлака. Весьма существенную роль при этом играют реакции восстановления кремния и марганца:
(МпО) + [Fe] = (FeO) + [Mn]; (SiO2) + 2 [Fe] =2 (FeO) + [Si].
С имволы в круглых скобках обозначают элементы и соединения, находящиеся в шла ке, в квадратных - в металле. При высоких температурах реакции преимущественно идут слева направо (восстановление марганца и кремния из шлака в металл), при снижении температуры - справа налево (окисление марганца и кремния и переход их из металла в шлак). Направление реакций зависит также от концентрации реагирующих веществ. Если в металле сварочной ванны содержится мало марганца и кремния, а в шлаке много МnО и SiO2 и мало FeO, марганец и кремний при высоких температурах (вблизи дуги) восстанав ливаются из шлака в металл. Если в металле сварочной ванны много марганца и кремния, а в шлаке нет МnО и SiO2, или много FeO, марганец и кремний окисляются даже в зоне высоких температур сварочной ванны.
В ионной форме реакции марганце- и кремнийвосстановительного процессов записы ваются так:
(Mn2+) + [Fe] = [Mn] + (Fe2+); (Si4+) + 2 [Fe] = [Si] + 2(Fe2+).
На поверхностях соприкосновения жидких металла и шлака вступают во взаимодейст вие находящиеся в металле атомы железа с находящимися в шлаке катионами марганца и кремния. В результате обмена зарядами положительные ионы марганца и кремния восста навливаются (приобретают электроны) и переходят в металл, атомы железа отдают электроны, становятся положительными ионами и переходят в шлак.
Типы проволок, классификация
Стальная сварочная проволока, изготавливаемая по ГОСТ 2246-70, который предусматривает 77 марок проволоки. В условные обозначения марок проволоки входит индекс Св (сварочная) и следующие за ним цифры и буквы. Цифры после индекса Св указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Так же, как и в марках стали, леги рующие элементы в марках проволоки обозначаются буквами: А - азот, Ю - алюминий, Р бор, Ф - ванадий, В -вольфрам, К - кобальт, С - кремний, Г - марганец, Д - медь, М - молиб ден, Н -никель, Б - ниобий, Е - селен, Т - титан, X - хром. Цифры, следующие за буквенными обозначениями химических элементов, указывают среднее содержание элемента в процентах. Если содержание легирующего элемента менее 1%, то ставится только соответствующая буква. Буква А в конце условных обозначений марок низкоуглеродистой и легированной проволок указывает на повышенную чистоту металла по содержанию серы и фосфора. В проволоке марки СВ-08АА содержится не более 0,020% серы и не более 0,020% фосфора. Условное обозначение сварочной проволоки состоит из цифры, обозначающей диаметр проволоки, мм, букв Св, условного обозначения марки проволоки и номера ГОСТ. Например, сварочная проволока диаметром 3 мм марки Св-08А, предназначенная для сварки (наплав ки), с неомедненной поверхностью условно обозначается таким образом: проволока 3 Св-08А ГОСТ 2246-70.Если проволока поставляется с омедненной поверхностью, то после марки проволоки ставится буква О. Буква Э обозначает, что проволока предназначена для изготовления электродов. Буквы Ш, ВД или ВИ обозначают, что проволока изготовлена из стали, выплав ленной электрошлаковым или вакуумнодуговым переплавом, или переплавом в вакуумно индукционных печах.
Сварочные проволоки делятся на низкоуглеродистые ( с суммарным содержанием легирующих элементов до 2% ); легированные ( суммарное содержание легирующих элемен тов от 2 до 6% ) и высоколегированные ( суммарноет содержание элементов более 6% ).
Для обеспечения требуемых прочности и хладостойкости металла шва при сварке низколегированных и вы-сокопрочных сталей состав сварочной проволоки следует выбирать таким, чтобы содержание углерода в шве не превышало 0,10 - 0,12%, а содержание кремния было меньше 0,5%. Оптимальное содержание других легирующих элементов находится в таких пределах, %: 0,6 -1,6 Мn, 0,9-1,1 Сr, 0,2 - 0,4 Мо, до 2 Ni и до 0,25 V. Степень легиро вания выбирается на основании требований к прочностным свойствам металла шва.
Высоколегированные аустенитные и ферритные проволоки применяются для сварки нержавеющих, жаростойких и других специальных сталей различного состава. Следует иметь в виду, что аустенитная проволока после волочения сильно нагартовывается и обладает большой жесткостью. Это облегчает подачу проволоки диаметром 2 - 3 мм по гибким шлангам при полуавтоматической сварке, но весьма затрудняет работу с проволокой большого диаметра. При автоматической сварке наклепанной аустенитной проволокой диаметром 4 - 6 мм ее следует предварительно подвергнуть термической обработке. В зависимости от состава проволоки и степени наклепа термическая обработка может заключаться в отжиге или закалке.
При выборе состава проволоки для сварки алюминия и алюминиевых сплавов следует учитывать, что при одинаковом химическом составе металла шва и основного металла ме ханические и другие свойства металла шва хуже, чем основного металла вследствие разли чия их структуры. Основной металл обычно имеет структуру проката, а металл шва - литую. Химический состав сварочной проволоки имеет тем большее значение, чем больше доля электродного металла в металле шва. Для сварки химически чистого алюминия и алюминиево-марганцевых сплавов обычно используется проволока, близкая по химическому со ставу к свариваемому металлу. Сварочные проволоки сплошного сечения поставляют по ГОСТ 7871-75 «Проволока сварочная из алюминия и алюминиевых сплавов». Такие прово локи бывают тянутыми или прессованными диаметром от 0,8 до 12 мм.
При сварке алюминиево-магниевых сплавов целесообразно применять проволоку с несколько большим содержанием магния, чем в основном металле, чтобы компенсировать улетучивание и окисление магния в процессе сварки. Это необходимо для повышения проч ности металла шва. Например, для сплавов АМгЗ и АМг5 можно применять проволоку марок СвАМгб или СвАМгб.
В алюминии и его сплавах обычно содержатся примеси железа и кремния, существен но влияющие на их свариваемость и физико-химические свойства. Чем больше этих приме сей, тем ниже коррозионная стойкость металла. Кремний, кроме того, снижает стойкость швов против образования кристаллизационных трещин, а железо повышает ее. С увеличе нием содержания указанных примесей в алюминиевых сплавах повышается прочность и снижается ударная вязкость металла шва. Для увеличения стойкости швов против образо вания кристаллизационных трещин необходимо обеспечить с помощью проволоки благо приятное соотношение между содержаниями в них железа и кремния. Для предупреждения образования кристаллизационных трещин в швах на алюминии высокой чистоты рекомен дуется применять алюминиевую проволоку, содержащую титан. С целью повышения корро зионной стойкости сварных соединений в агрессивных средах, например в HNO3, применяют проволоку, легированную цирконием, хромом и титаном. Проволоки марок СвАК5, СвАКЮ, СвАК12 применяют для заварки дефектов литья из силумина.
Типы флюсов
Флюсы можно классифицировать по способу изготовления, назначению, химическому составу, строению и размеру частиц.По способу изготовления флюсы делятся на плавленые и неплавленые.
Плавленые флюсы получают путем сплавления компонентов шихты в электрических или пламенных пе чах.
При изготовлении неплавленых флюсов частицы флюсовой шихты скрепляют без их сплавления. К числу неплавленых флюсов относятся керамические и спеченные флюсы,а также флюсы-смеси. Керамические флюсы производят из смесей порошкообразных материалов, скрепляемых с помощью клеющих веществ, главным образом жидкого стекла. Спеченные флюсы изготовляют путем спекания компонентов шихты при повышенных темпера турах без их сплавления. Полученные комки затем измельчают до требуемого размера. Флюсы-смеси изготовляют механическим смешением крупинок различных материалов или флюсов. Большим недостатком механических смесей является склонность к разделению на составляющие при транспортировке и в процессе сварки вследствие разницы в плотности, форме и размере крупинок. Поэтому механические смеси не имеют постоянных составов и сварочных свойств и недостаточно надежно обеспечивают получение стабильного качества сварных швов.
В зависимости от назначения и преимущественного применения различают флюсы для электродуговой и для электрошлаковой сварки, а также для механизированной сварки и на плавки углеродистых сталей, легированных сталей, цветных металлов и сплавов. Такое разделение в известной степени условно, поскольку флюсы, преимущественно применяю щиеся для сварки и наплавки металлов или сплавов одной группы, могут быть с успехом использованы для сварки и наплавки металлов другой группы. Вместе с тем флюсы, предна значенные для сварки одних цветных металлов или одних марок легированных сталей, мо гут оказаться непригодными для сварки других цветных металлов или других марок легиро ванных сталей.
Различают флюсы общего назначения и специальные.
Флюсы общего назначения предназначены для механизированной дуговой сварки и наплавки углеродистых и низколе гированных сталей низкоуглеродистой и легированной сварочной проволокой, специальные флюсы - для отдельных видов сварки, например, электрошлаковой или сварки высоколеги рованных сталей.
В соответствии с EN 760 сварочные флюсы классифицируют по химическому составу.
Одним из важных показателей оценки сварочно-технологических свойств флюса и механических характеристик металла сварного шва является индекс основности флюса В (Ьа sisety index). Определение В основано на том, что кислые оксиды (SiO2;TiO2) способствуют снижению межфазного натяжения и интенсификации реакций на границе раздела металл шлак, в результате которых из шлака в расплавленный металл переходят кислород, крем ний и марганец. Чаще всего этот переход осуществляется в виде оксидов, т. е. в металле шва растет содержание неметаллических включений типа силикатов марганца. Основные оксиды (СаО, МnО и др.) подавляют этот переход за счет увеличения межфазного натяже ния на границе металл-шлак.
Основность флюса в соответствии с рекомендациями МИС рассчитывают по формуле:
СаО + MgO + ВаО + К2О + Na2O + CaF2 + 0,5(MnO + FeO
0,5( Al2О3 +TiO2 + ZrO2) + SiO2
Кислые флюсы (В<1,0) за счет низкого значения межфазного натяжения на границе металл-шлак обеспечивают хорошие сварочно-технологические свойства при сварке как од нопроходных, так и многопроходных швов. Однако кремний и марганцевосстановительные процессы, характерные для этих флюсов, снижают уровень механических свойств металла сварных швов.
Основные флюсы (В >1,5) подавляют переход кислорода, кремния и марганца в наплавленный металл, но из-за высокого уровня межфазного натяжения на границе металл-шлак обладают худшими, по сравнению с кислыми флюсами, сварочно-технологическими свойствами.
Нейтральные флюсы (1,0<В>1,5) в зависимости от химического состава обладают сочетанием свойств, характерных для кислых и основных флюсов.
Кислые флюсы используют, как правило, для сварки неответственных конструкций, изготавливаемых из углеродистых сталей, основные флюсы используют при сварке ответственных конструкций, сталей со специальными свойствами.
Классификация сочетаний проволока-флюс и наплавленный металл шва
При изготовлении конструкций из углеродистых сталей к сварным соединениям предъявляются требования равнопрочности шва с основным металлом и отсутствия дефектов. Выполнение этих требований обеспечивается в случае применения флюсов общего назначения, предназначенных для сварки углеродистых и некоторых низколегированных сталей. В последние годы интенсивно ведется разработка флюсов для сварки низколегированных сталей повышенной и высокой прочности. Это обусловлено тем, что многие конструкции в настоящее время выполняются не из углеродистых сталей, а из низколегированных. Работы по созданию флюсов для сварки средне- и высоколегированных сталей проводятся пока в небольшом объеме, так как масштабы применения указанных сталей еще сравнительно не велики.
По принятой в сварочной технике классификации, легированные стали разделяют на низко-, средне- и высоколегированные. Если содержание каждого из легирующих элементов не превышает 2%, а суммарное их содержание - 5%, то сталь называется низколегирован ной. При содержании каждого из легирующих элементов в пределах от 2 до 5% и суммарном их содержании не более 10% сталь называется среднелегированной. Высоколегированной называется сталь, в которой содержание одного из легирующих элементов составляет не менее 5%, а сумма легирующих элементов - не менее 10%.
В общем случае для сварки углеродистых и низколегированных сталей с временным сопротивлением Rm < 450 МПа целесообразно использовать флюсы типа MS, CS или AR, которые обеспечивают высокую производительность процесса и отличное формирование металла швов. При сварке низколегированных сталей повышенной прочности (Rm > 450 МПа), к металлу швов и сварных соединений которых предъявляют требования по обеспе чению холодостойкости при температурах ниже минус 20 °С, необходимо использовать ней тральные или слабоосновные флюсы (1,0 > В < 2,0) типа CS, AR, AB. Для сталей более вы сокой прочности, при сварке которых могут возникнуть проблемы с образованием холодных трещин, следует использовать высокоосновные флюсы типа АВ или FB.
Получение качественных швов на углеродистых и некоторых низколегированных конструкционных сталях обеспечивается путем использования следующих сочетаний флюсов и сварочных проволок: плавленый высококремнистый марганцевый флюс и низкоуглероди стая или марганцовистая сварочная проволока, плавленый высококремнистый безмарган цевый флюс и марганцовистая сварочная проволока, керамический флюс и низкоуглероди стая или марганцовистая проволока.
При использовании плавленого высококремнистого марганцевого флюса и низкоугле родистой или марганцовистой сварочной проволоки либо плавленого высококремнистого безмарганцевого флюса и марганцовистой сварочной проволоки последняя должна быть из кипящей или полуспокойной стали. Успокоение металла сварочной ванны и предупреждение пористости при сварке кипящей стали осуществляется в результате введения некоторого количества кремния из флюса в зону сварки. Легирование металла шва марганцем с целью повышения его стойкости против образования кристаллизационных трещин производится через флюс (первое и третье сочетания) или через проволоку (второе и третье сочетания).
Сварочные свойства высококремнистых марганцевых флюсов несколько лучше, чем свойства высококремнистых безмарганцевых. Положительной характеристикой высококрем нистых марганцевых флюсов является высокая стойкость сварных швов против образования кристаллизационных трещин. Это обусловливается малым переходом серы из флюсов данного типа в металл шва и сравнительно сильным выгоранием углерода из металла сва рочной ванны. Кроме того, на качество шва положительно влияет более низкое по сравне нию с марганцовистой проволокой содержание углерода в низкоуглеродистой проволоке, используемой в сочетании с высококремнистыми марганцевыми флюсами. При сварке под ними пористость сварных швов меньше, чем при сварке под высококремнистыми безмар ганцевыми флюсами.
Преимуществом высококремнистых безмарганцевых флюсов является лучшая отделимость шлаковой корки с поверхности шва, что обеспечивается в результате меньшего окислительного действия флюса на твердеющий металл шва, вследствие чего образование окисной пленки на поверхности шва происходит медленнее и сцепление шлака с этой по верхностью затрудняется. В швах, сваренных под высококремнистыми безмарганцевыми флюсами, содержится меньше фосфора, потому что в шихте для их выплавки нет марган цевой руды. С точки зрения выделения вредных газов первое и второе сочетания равноцен ны. Первое сочетание хуже в отношении выделения в атмосферу соединений марганца.
Флюсы для сварки низколегированных сталей должны не только отвечать перечисленным выше общим требованиям, но и способствовать получению металла шва повышенной прочности с высокой ударной вязкостью при низких температурах. Если прочность и химический состав металла шва определяются химическими составами сварочной проволоки и основного металла, то его ударная вязкость в значительной степени зависит от флюса. Вы сокая ударная вязкость металла шва обеспечивается при его мелкокристаллической структуре, низком содержании неизбежных вредных примесей и неметаллических включений. Для выполнения этих требований во флюсе обычно снижают содержание SiO2. Поэтому при сварке низколегированных сталей преимущественно применяются низкокремнистые флюсы. Дополнительным требованием является возможно более низкое содержание водорода в металле шва. Измельчению структуры металла шва способствует также уменьшение погон ной энергии сварки. Однако при этом уменьшается эффективность процесса сварки вслед ствие увеличения количества проходов.
Ввиду опасности образования кристаллизационных трещин необходимая прочность металла шва при сварке низколегированных высокопрочных сталей достигается путем леги рования его марганцем, хромом, никелем, молибденом и ванадием, а не за счет повышения содержания углерода.
В процессе сварки современных низколегированных сталей повышенной прочности допускается лишь ограниченный подвод тепла для исключения повреждения структуры ос новного металла в околошовной зоне. Это требование обеспечивается путем наложения многослойных швов при сварке металла средней и большой толщины. В связи с этим флю сы, предназначенные для сварки таких сталей, должны обеспечивать легкую отделимость шлаковой корки, высокие качество формирования шва и его механические свойства. В ре зультате повышения механических свойств металла шва путем применения соответствую щего сочетания флюса и проволоки исключается необходимость наложения неэкономичных тонких швов при многопроходной сварке толстого металла. При этом уменьшается возмож ность загрязнения шва шлаковыми включениями, образующимися из не удаленного после сварки шлака.
Хотя к свойствам флюсов для сварки среднелегированных сталей предъявляются такие же требования, как и к свойствам флюсов для сварки низколегированных сталей, однако имеется ряд металлургических особенностей, обусловливающих необходимость примене ния специальных флюсов при сварке среднелегированных сталей. К этим особенностям прежде всего относится более высокая степень легирования металла, вызывающая его большую чувствительность к содержанию неметаллических включений и водорода. Поэтому опасность образования трещин при сварке среднелегированных сталей выше, чем при свар ке низколегированных. В процессе сварки среднелегированных сталей труднее обеспечить равнопрочность металла шва с основным металлом, потому что вследствие опасности об разования кристаллизационных трещин содержание углерода в шве жестко ограничивается. Поэтому требуются введение в шов со сварочной проволокой дополнительных количеств легирующих элементов и снижение их окисления в процессе сварки. Низкая окислительная способность флюса необходима и для обеспечения легкой отделимости шлака со швов, содержащих ванадий, ниобий или хром.
Применение и типичные проблемы
Форма и размеры шва зависят от многих параметров режима сварки: величины сва рочного тока, напряжения дуги, диаметра электродной проволоки, скорости сварки и др. Та кие параметры, как наклон электрода или изделия, величина вылета электрода, грануляция флюса, род тока и полярность и т. п. оказывают меньшее влияние на форму и размеры шва.Необходимое условие сварки - поддержание дуги. Для этого скорость подачи электрода должна соответствовать скорости его плавления теплотой дуги. С увеличением силы сва рочного тока скорость подачи электрода должна увеличиваться. Электродные проволоки меньшего диаметра при равной силе сварочного тока следует подавать с большей скоростью. Условно это можно представить как расплавление одинакового количества электродного металла при равном количестве теплоты, выделяемой в дуге (в действительности ко личество расплавляемого электродного металла несколько увеличивается с ростом плотности сварочного тока). При некотором уменьшении скорости подачи длина дуги и ее напряжение увеличиваются. В результате уменьшаются доля теплоты, идущая на расплавление электрода, и количество расплавляемого электродного металла.
Влияние параметров режима на форму и размеры шва обычно рассматривают при из менении одного из них и сохранении остальных постоянными. Приводимые ниже законо мерности относятся к случаю наплавки на пластину, когда глубина проплавления не превышает 0,7 ее толщины (при большей глубине проплавления ухудшение теплоотвода от нижней части сварочной ванны резко увеличивает глубину проплавления и изменяет форму и размеры шва).
С увеличением силы сварочного тока глубина проплавления возрастает почти линейно до некоторой величины. Это объясняется ростом давления дуги на поверхность сварочной ванны, которым оттесняется расплавленный металл из-под дуги (улучшаются условия теплопередачи от дуги к основному металлу), и увеличением погонной энергии. Ввиду того, что повышается количество расплавляемого электродного металла, увеличивается и высота усиления шва. Ширина шва возрастает незначительно, так как дуга заглубляется в основной металл (находится ниже плоскости основного металла).
Увеличение плотности сварочного тока (уменьшение диаметра электрода при посто янном токе) позволяет резко увеличить глубину проплавления. Это объясняется уменьшением подвижности дуги. Ширина шва при этом уменьшается. Путем уменьшения диаметра электродной проволоки можно получить шов с требуемой глубиной проплавления в случае, если величина максимального сварочного тока, обеспечиваемая источником питания дуги, ограничена. Однако при этом уменьшается коэффициент формы провара шва (ф = е/Н) и интенсифицируется зональная ликвация в металле шва, располагающаяся в его рабочем сечении. Род и полярность тока оказывают значительное влияние на форму и размеры шва, что объясняется различным количеством теплоты, выделяющимся на катоде и аноде дуги.
При сварке на постоянном токе прямой полярности глубина проплавления на 40 - 50%, а на переменном - на 15 - 20% меньше, чем при сварке на постоянном токе обратной поляр ности. Поэтому швы, в которых требуется небольшое количество электродного металла и большая глубина проплавления (стыковые и угловые без разделки кромок), целесообразно выполнять на постоянном токе обратной полярности. При увеличении напряжения дуги (длины дуги) увеличивается ее подвижность и возрастает доля теплоты дуги, расходуемая на расплавление флюса (количество расплавленного флюса). При этом растет ширина шва, а глубина его проплавления остается практически постоянной. Этот параметр режима широ ко используют в практике для регулирования ширины шва.
Увеличение скорости сварки уменьшает погонную энергию и изменяет толщину прослойки расплавленного металла под дугой. В результате этого основные размеры шва уменьшаются. Однако в некоторых случаях (сварка тонкими проволоками на повышенной плотности сварочного тока) увеличение скорости сварки до некоторой величины, уменьшая прослойку расплавленного металла под дугой и теплопередачу от нее к основному металлу, может привести к росту глубины проплавления. При чрезмерно больших скоростях сварки и силе сварочного тока в швах могут образовываться подрезы.
С увеличением вылета электрода возрастает интенсивность его подогрева, а значит, и скорость его плавления. В результате толщина прослойки расплавленного металла под ду гой увеличивается и, как следствие этого, уменьшается глубина проплавления. Этот эффект иногда используют при сварке электродными проволоками диаметром 1 - 3 мм для увеличения количества расплавляемого электродного металла при сварке швов, образуемых в ос новном за счет добавочного металла (способ сварки с увеличенным вылетом электрода). В некоторых случаях, особенно при автоматической наплавке, электроду сообщают колебания поперек направления шва с различной амплитудой и частотой, что позволяет в широких пределах изменять форму и размеры шва. При сварке с поперечными колебаниями электрода глубина проплавления и высота усиления уменьшаются, а ширина шва увеличивается и обычно несколько больше амплитуды колебаний. Этот способ удобен для предупреждения прожогов при сварке стыковых соединений с повышенным зазором в стыке или уменьшенным притуплением кромок. Подобный же эффект наблюдается при сварке сдвоенным элек тродом, когда электроды расположены поперек направления сварки. При их последователь ном расположении глубина проплавления, наоборот, возрастает.
Состав и строение частиц флюса оказывают заметное влияние на форму и размеры шва. При уменьшении насыпной массы флюса (пемзовидные флюсы) повышается газопро ницаемость сдоя флюса над сварочной ванной и, как результат этого, уменьшается давление в газовом пузыре дуги. Это приводит к увеличению толщины прослойки расплавленного металла под дугой, а значит, и к уменьшению глубины проплавления. Флюсы с низкими ста билизирующими свойствами, как правило, способствуют более глубокому проплавлению.
Пространственное положение электрода и изделия при сварке под флюсом оказывает такое же влияние на форму и размеры шва, как и при ручной сварке. Для предупреждения отекания расплавленного флюса, ввиду его высокой жидкотекучести, сварка этим способом возможна только в нижнем положении при наклоне изделия на угол не более 10 -15°. Изме нение формы и размеров шва наклоном изделия находит практическое применение только при сварке кольцевых стыков труб ввиду сложности установки листовых конструкций в на клонное положение. Сварка с наклоном электрода находит применение для повышения скорости многодуговой сварки. Подогрев основного металла до температуры 100 °С и выше приводит к увеличению глубины провара и ширины шва.
Перед началом автоматической сварки следует проверить чистоту кромок и правиль ность их сборки и направления электрода по оси шва. Металл повышенной толщины свари вают многопроходными швами с необходимым смещением электрода с оси шва. Перед на ложением последующего шва поверхность предыдущего тщательно зачищают от шлака и осматривают с целью выявления наличия в нем наружных дефектов.
В начале сварки, когда основной металл еще не прогрелся, глубина его проплавления уменьшена, в связи с чем эту часть шва обычно выводят на входную планку. По окончании сварки в месте кратера образуется ослабленный шов, поэтому процесс сварки заканчивают на выводной планке. Входную и выводную планки шириной до 150 мм и длиной (в зависимо сти от режима и толщины металла) до 250 мм закрепляют на прихватках до начала сварки. После сварки планки удаляют.
При автоматической сварке стыковых соединений на весу. Практически сложно получить шов с проваром по всей длине стыка из-за вытекания в зазор между кромками расплавленного металла и флюса и, как результат, - образования прожогов. Для предупреждения этого применяют различные приемы, способствующие формированию корня шва. Сварку односторонних швов можно выполнять по предварительной ручной подварке, если невозможна автоматическая. Односторонняя сварка на остающейся стальной подкладке возможна в тех случаях, когда допустимо ее применение с эксплуатационной точки зрения.
Здоровье и безопасность
При автоматической наплавке флюс препятствует интенсивному выгоранию легирующих элементов, однако в воздух попадают токсичные соединения марганца, хрома, титана, вольфрама, кобальта и др. Выделение пыли при самой сварке небольшое. Наибольшие концентрации ее (до 8 мг/м3) наблюдаются на расстоянии 200 мм от дуги. В состав свароч ного аэрозоля при сварке малоуглеродистых и низколегированных сталей входят окислы железа (до 80%) , марганца (до 12%) и двуокись кремния (8%). Концентрация окислов мар ганца (в пересчете на марганец) - 0,4 мг/м3, окиси кремния - до 1,6 мг/м3. Запыленность в зо не дыхания при нормальном течении процесса и достаточной квалификации сварщика не превышает ПДК. Однако отсос и сбор флюса, пересыпка для повторного его использования являются дополнительными источниками пылевыделения. Концентрация пыли в зоне дыха ния сварщика во время сбора флюса составляет в среднем 30 мг/м3, что превышает ПДК.
Установлено, что при повторном использовании флюса запыленность воздушной среды выше в 2 раза, чем при сварке под свежим флюсом. При повторном применении флюса иногда наблюдается прорыв газов и пыли в месте дуги, что увеличивает в несколько раз количество выделяющихся вредных веществ. Кроме того, следует иметь в виду общий для всех видов сварки фактор увеличения выделений пыли при интенсификации процесса (ра бота на больших силах тока) за счет уноса мелкодисперсных частиц конвективными потока ми. Для борьбы с пылеобразованием при сборе флюса сейчас успешно применяют пневма тический эжекторный флюсосборник ФСП, снабженный фильтром. Из выделяющихся при этом виде сварки вредных газов наиболее опасны окись углерода и фтористые соединения фтористый водород и фтористый кремний. Концентрация окиси углерода при применении керамических флюсов (без вентиляции) доходит до 400 мг/м3, фтористого водорода - до 1,7 мг/м3. Наибольшее количество фтористых соединений выделяется при сварке под флюсами ОСЦ-45 (до 360 мг/кг) и АН-348А (до 160 мг/кг), а наименьшее - при использовании флюсов ФЦ-9 (до 65 мг/кг) и АН-51, АН-10 (до 85 мг/кг). Кроме того, на выделение соединений фтора существенно влияют технологические режимы (скорость сварки, диаметр электрода, сила тока и др.). Так, с увеличением скорости сварки количество выделяющихся фтористых со единений уменьшается, то же происходит и при увеличении диаметра электрода (электрод ной проволоки). Однако для коренного улучшения условий труда следует отказаться от при менения флюсов, содержащих фтористые соединения, заменив их менее вредными.
К особенностям автоматической сварки под флюсом следует еще добавить, что рабочий, наблюдающий за процессом сварки на некотором расстоянии от дуги, в меньшей сте пени подвергается воздействию вредных веществ даже при отсутствии местного отсоса.
