Химический состав и строение флюса

Чем меньше объемная масса флюса, тем больше объем полости, образующейся вокруг столба дуги, и тем большей подвижностью обладает дуга При этом ширина шва увеличивается, а глубина провара умень­шается. Однако изменения глубины и ширины провара при при­менении флюсов стандартных марок столь невелики, что не тре­буют существенных изменений режима сварки и легко нивели­руются  за  счет небольшой  корректировки  напряжения дуги,

Увеличение толщины электродного покрытия и введение в его состав тугоплавких веществ, способствующих образованию на конце электрода козырька, снижают подвижность столба дуги и, как следствие, уменьшают ширину шва и увеличивают глубину провара Глубина и ширина провара при сварке под флюсом АН-348-А и в углекислом газе, при прочих равных условиях, с достаточной для решения практических задач точностью могут быть признаны одинаковыми.

Изменение начальной температуры. В пределах естественных изменений, связанных со сваркой на морозе или с нагревом ме­талла на солнце, начальная температура свариваемого изделия (—60—+80° С) не оказывает практического влияния на глубину провара и ширину шва Подогрев основного металла до темпера­туры 100—400° С приводит к незначительному увеличению глу­бины провара и ширины шва Существенные изменения ширины и глубины провара имеют место при температуре предваритель­ного подогрева от 500° С и выше, причем ширина провара увели­чивается более интенсивно, чем его глубина С предварительным подогревом связано увеличение ширины последних слоев при сварке многослойных швов и при наплавке

Положение электрода в пространстве. На практике сварку ведут вертикальным электродом и с наклоном электрода вдоль шва углом вперед или назад по отношению к направлению сварки (рис 5-54, а, б, в) При сварке углом назад происходит более ин­тенсивное, чем при сварке вертикальным электродом, вытеснение металла сварочной ванны из-под основания столба дуги, что приводит к некоторому увеличению глубины провара и умень­шению ширины шва. Сварка с наклоном электрода углом назад находит практическое применение главным образом при сварке электродами для глубокого провара

При сварке с наклоном электрода углом вперед столб дуги стремится занять положение, совпадающее с осью электрода При этом столб дуги большей своей частью располагается над поверхностью основного металла. Давление столба на поверх­ность сварочной ванны уменьшается, что приводит к заметному уменьшению глубины провара и увеличению ширины шва по сравнению со сваркой вертикальным электродом. Сварка элек­тродом  с  наклоном  углом вперед применяется  для  повышения

скорости сварки при одно- и многодуговой автоматической сварке под флюсом.

Наклон   изделия     относительно    горизонтальной    плоскости.

При сварке сверху вниз (на спуск) разность уровней расплавлен­ного металла в головной и задней частях плавильного простран­ства уменьшается, несмотря на неизменное давление, оказываемое столбом дуги. Это приводит к увеличению толщины слоя жидкого металла, расположенного под основанием дуги, и к уменьшению глубины провара. Блуждание дуги по поверхности сварочной ванны при этом усиливается, что приводит к увеличению ширины шва. Поэтому при сварке на спуск уменьшается глубина провара и увеличивается ширина шва.

При сварке снизу вверх (на подъем) разница уровней расплав­ленного металла в головной и задней частях плавильного простран­ства увеличивается, а толщина слоя жидкого металла под основа­нием столба дуги уменьшается. При этом происходит более глубо­кое проплавление основного металла, т. е. глубина провара не­сколько увеличивается. Ширина шва при уменьшении блуждания столба дуги заметно уменьшается.

Нормальное, характерное для сварки в нижнем положении формирование шва достигается при механизированной сварке для угла наклона не более 3—4° и при ручной сварке покрытыми электродами не более 8—10°. При больших углах наклона на­рушается нормальное формирование шва из-за подтекания жидкого металла под основание дуги при сварке на спуск и из-за непроваров и подрезов по кромкам при сварке на подъем.

Изменение формы шва путем сварки на спуск или на подъем мало применяется из-за сложности установки изделия под сварку и небольшой эффективности. Практическое применение сварка на спуск находит при выполнении круговых швов труб и сосудов малого диаметра. В этом случае электрод смещается от зенита с таким расчетом, чтобы сварка велась на спуск. При этом умень­шается опасность прожогов, улучшается формирование шва и предотвращается возможность стекания жидкого металла свароч­ной ванны. Сварку на подъем применяют для увеличения глубины проплавления при ручной сварке с глубоким проваром.

При дуговой сварке и наплавке значение коэффициента формы шва может изменяться от 0,8 до 20. Все изменения элементов режима, вызывающие уменьшение ширины шва и увеличение глубины провара, вызывают уменьшение, а все изменения эле­ментов режима, увеличивающие ширину шва и уменьшающие глубину провара,— увеличение коэффициента формы шва.

Увеличение силы тока приводит к резкому возрастанию глу­бины провара и практически не отражается на ширине шва, а следовательно, приводит к снижению коэффициента формы шва. Увеличение скорости сварки уменьшает ширину шва и суще­ственно не влияет на глубину провара. Следовательно, увеличение скорости  сварки  приводит  к  уменьшению  коэффициента формы шва, а уменьшение скорости сварки — к повышению его значе­ния. Увеличение напряжения дуги приводит к заметному увели­чению ширины провара, к незначительному изменению глубины провара и, как следствие, к увеличению коэффициента формы шва. Уменьшение диаметра электрода или сварочной проволоки приводит к возрастанию глубины провара и уменьшению ширины шва, а следовательно, к довольно резкому уменьшению коэффи­циента формы шва. Наклон электрода углом вперед увеличивает коэффициент формы шва вследствие увеличения ширины шва и уменьшения глубины проплавления.

На значение коэффициента формы шва оказывают влияние и другие элементы сварочного режима, однако они сказываются в значительно меньшей степени, чем перечисленные выше.

При сварке стыковых однослойных швов, всех слоев много­слойного шва, кроме первого и второго, и при наплавочных работах коэффициент формы шва можно изменять в желаемых пределах (рис. 5-55, а, б). При сварке угловых однослойных швов и первого слоя многослойных угловых или стыковых швов коэффициент формы шва или слоя, при котором обеспечивается удовлетвори­тельное формирование, определяется геометрией соединения и может изменяться в весьма узких пределах (рис. 5-55, в, г). Уве­личение его значения выше определенной величины приводит в этих условиях к подрезу кромок или к непровару притупления.

Коэффициент формы шва при сварке угловых швов и первого слоя многослойного шва должен находиться в пределах 1,4—2,3. Ограниченные возможности увеличения коэффициента формы шва в значительной степени определяют трудность обеспечения стой­кости металла этих швов против кристаллизационных трещин, особенно при сварке основного металла с повышенным содержа­нием углерода.

Нормальная форма поверхности шва обеспечивается при коэф­фициенте формы усиления более 5. При меньшем значении этого коэффициента не достигается плавности перехода от металла шва к основному металлу. Все изменения режима, уменьшающие ширину шва и увеличивающие количество вводимого в шов элек­тродного металла (это прежде всего увеличение силы тока, умень­шение диаметра электрода и напряжения дуги), приводят к умень­шению коэффициента формы усиления (табл.  5-3).

(рис.   5-56).   В  зависимости   от   режима

сварки ширина шва и глубина металлической ванны, а следо­вательно, и коэффициент формы могут несколько изменяться по длине сварочной ванны. Однако при правильном выборе режима сварки ширина шва изменяется мало. Глубина металлической ванны может претерпевать более значительные изменения, но, как правило, достигает максимума посредине (по толщине ме­талла). В дальнейшем изложении под шириной шва, глубиной металлической ванны и ее коэффициентом формы мы будем при­нимать значения  этих  величин  по  середине шва,

Форма и размеры металлической ванны оказывают существен­ное влияние на качество сварного соединения и определяются режимом сварки. Режим электрошлаковой сварки характери­зуется величиной тока (или скоростью подачи электрода), напря­жением сварки, скоростью сварки и толщиной металла, прихо­дящейся на электрод (частное от деления толщины свариваемого металла на число электродов). На процессе формирования могут сказаться величина зазора, состав флюса, глубина шлаковой ванны, скорость поперечного перемещения электрода, вылет и диаметр сварочной проволоки. Обычно эти параметры режима изменяются мало.

При сварке электродной проволокой глубина шлаковой ванны в зависимости от силы тока составляет 25—70 мм, скорость попе­речного перемещения 30—40 м/ч, сухой вылет электрода 60—70 мм и диаметр электрода 4—2 мм. Такие колебания не приводят к изме­нениям условий формирования шва. Более значительные откло­нения указанных параметров, вызванные нарушением режима сварки, могут привести к изменению формы и размеров шва.

При электрошлаковой сварке одной электродной проволокой глубина металлической ванны и ширина шва зависят от всех элементов режима. Наибольшее влияние на этот параметр оказы­вает величина тока. С увеличением силы тока глубина металли­ческой ванны увеличивается. Это, вероятно, обусловлено изме­нением погонной энергии сварки.   Ток является тем элементом

режима, за счет которого в сварочной практике изменяют в желаемом направ­лении глубину металлической ванны. На ширину шва величина тока влияет мало.

Увеличение напряжения при элект­рошлаковой   сварке приводит к увели­чению  глубины   металлической   ванны в связи  с повышением  погонной энер­гии. С ростом напряжения в применяе­мых пределах   ширина шва также увеличивается.   На  практике ширину шва изменяют в желаемом направлении путем изменения напряжения сварки.

При электрошлаковой сварке шов формируется в основном из дополнительного металла. Для заполнения зазора между свариваемыми кромками необходимо ввести строго определенное количество дополнительного металла. Поэтому увеличение ско­рости сварки достигается за счет повышения силы тока (скорости подачи сварочной проволоки) или увеличения числа электродов и всегда приводит к увеличению глубины металлической ванны. Изменение ширины шва в зависимости от скорости подачи сва­рочной проволоки (следовательно, и скорости сварки) имеет более сложный характер. Увеличение скорости сварки сначала приво­дит к увеличению ширины шва, а затем к снижению ее.

Увеличение толщины свариваемого металла, приходящейся на один электрод, приводит к уменьшению ширины шва и глубины металлической ванны, что связано с изменением погонной энергии. Электропроводность флюса заметно влияет на глубину метал­лической ванны и ширину шва. Снижение электропроводности флюса, при прочих равных условиях, приводит к росту глубины металлической ванны и ширины шва в результате увеличения теплоты, выделяемой в ванне.

Коэффициент формы металлической ванны находится в обрат­ной зависимости от величины тока и скорости сварки и в прямой зависимости от напряжения на электродах и толщины металла, приходящейся на электрод Общие данные о характере влияния элементов режима сварки на размеры и форму шва при электро­шлаковой сварке приведены в табл   5-4

Сварка двумя и более сварочными проволоками и электродной пластиной имеет свои особенности Однако общие закономерности остаются теми же, что при сварке одной сварочной проволокой. Для повышения производительности электрошлаковой сварки про­цесс стремятся вести при минимальном зазоре между свариваемыми кромками. В металлическую ванну вводят дополнительный металл (порошок, крупку и др.) и увеличивают коэффициент наплавки.

Зависимость между режимом сварки и составом шва при ду­говой и электрошлаковой сварке. При сварке неплавящимся элек­тродом без присадочного металла шов полностью состоит из рас­плавленного основного металла. При сварке плавящимся элек­тродом или неплавящимся электродом с присадочным металлом металл шва представляет собой сплав основного и дополнительного (электродного или присадочного) металлов. Состав шва опреде­ляется долями участия того и другого металла в металле шва, зависящими от режима сварки, характера подготовки кромок и изменений, происходящих в составе шва при взаимодействии электродного металла и металла сварочной ванны с газами и шлаком. Долю участия основного и дополнительного металлов определяют обычно по поперечному макрошлифу. При дуговой однослойной сварке долю участия дополнительного металла определяют  по  формуле

гдедоп-—площадь сечения части шва, образовавшейся за счет электродного и присадочного металла; Fm—общая площадь сечения шва; F0 — площадь сечения части шва, образовавшейся за   счет   расплавления   основного   металла.

При ручной сварке FAon определяется как сумма площадей разделки или зазора и усиления шва. При механизированной сварке с постоянной скоростью подачи сварочной проволоки FAon определяют  по  формуле

где Fn? — площадь сечения сварочной проволоки; иэл — скорость подачи   сварочной   проволоки;    vCB — скорость   сварки.

Общая площадь сечения шва определяется путем замера ее планиметром или подсчета площади фигуры по очертаниям, при­ближающимся  к очертаниям провара.

При дуговой сварке многослойных швов для определения доли дополнительного металла обычно пользуются формулой (5-2), хотя она и не отражает действительного положения, так как в этом случае кроме основного и дополнительного металлов имеется еще и металл нижележащих слоев, который по своему составу отличается и от основного, и от дополнительного металлов.

При электрошлаковой сварке долю электродного металла в металле шва уэл с достаточной для практики точностью опре­деляют по формуле

где s—толщина основного металла; а—ширина зазора; Ъ — ширина шва.

Долю участия основного металла ь MefaJHrte ый$& у0 йрй Ыё% методах сварки определяют по формуле

Доля участия основного металла при используемых режимах сварки плавящимся электродом составляет 15—80%. Меньшая цифра относится к вибродуговой наплавке, а большая — к сварке на больших скоростях под флюсом. Доля участия основного и электродного металлов в металле однопроходного шва зависит от элементов  режима сварки.

При дуговой сварке повышение силы тока приводит к увели­чению количества расплавляемого основного металла и вводимого в шов электродного металла, при этом количество расплавляе­мого основного металла растет более интенсивно, что приводит к увеличению доли основного металла в металле шва. При элек­трошлаковой сварке повышение силы тока всегда сопровождается увеличением скорости сварки, что приводит к уменьшению ши­рины провара и снижению доли основного металла в металле шва.

Увеличение напряжения дуги и напряжения сварки приводит к незначительному уменьшению количества вводимого в шов электродного металла (за счет снижения коэффициента наплавки) и к увеличению количества расплавляемого основного металла. Следовательно, увеличение напряжения приводит к повышению, а уменьшение— к снижению доли основного металла в металле шва.

Увеличение скорости при дуговой сварке приводит к умень­шению количества вводимого в шов электродного и расплавляе­мого основного металлов. Количество электродного металла сни­жается более интенсивно, чем количество расплавляемого основ­ного металла, поэтому доля основного металла в металле шва с увеличением скорости сварки увеличивается. При электрошла­ковой сварке наблюдается обратная зависимость.

Увеличение диаметра электрода приводит к снижению доли основного металла в металле шва.

Состав сварочной проволоки оказывает существенное влияние на величину коэффициента плавления электрода. Так, высоко­легированная проволока обладает более высоким коэффициентом плавления, чем низкоуглеродистая. Низкоуглеродистая прово­лока, содержащая кремний, имеет несколько более высокий коэф­фициент плавления, чем такая же проволока без кремния. Уве­личение коэффициента плавления проволоки приводит к неко­торому возрастанию доли электродного металла в металле шва.

Тип шва и характер подготовки кромок оказывают существен­ное влияние на долю участия основного металла в металле шва. Характер этого влияния ясен из схемы, приведенной на рис. 5-23. При наплавке валика или сварке стыкового шва без разделки кромок электродный металл используется только для создания усиления.  Наличие обязательного зазора или  разделки  кромок при сварке стыковых или угловых швов Приводит к тому, что электродный металл расходуется на образование расчетного сечения шва и располагается на месте удаленного в процессе разделки кромок основного металла. В результате доля основ­ного металла в металле шва снижается.

При сварке постоянным током прямой полярности несколько уменьшается глубина провара основного металла и увеличивается коэффициент плавления электродного металла. Это приводит к заметному снижению доли основного металла в металле угло­вого шва и в наплавке по сравнению со сваркой переменным током  или  постоянным  током  обратной  полярности.

Во многих случаях приобретает первостепенный интерес умень­шение доли основного металла в металле шва. Это важно при сварке основного металла, содержащего повышенные количества элементов, снижающих стойкость металла шва против кристал­лизационных трещин и ухудшающих другие свойства металла шва (стойкость против перехода в хрупкое состояние, коррозион­ную стойкость). Особенно это относится к сварке под флюсом, где доля основного металла в металле шва при типичных режимах достигает 70%. Для снижения доли основного металла в метал­ле шва кроме изменения в желаемом направлении перечислен­ных выше элементов режима прибегают также к многослойной сварке (вместо однослойной), сварке двумя дугами, сварке по при­садочной проволоке, сварке с наполнителями и другим техно­логическим   приемам.

Выбор режима сварки

Элементы режима сварки оказывают существенное влияние на форму и состав шва, и путем изменения( их значения можно достичь желаемого результата при различном их сочетании. Основная задача, возникающая перед технологом при выборе режима сварки, сводится к определению такого соче­тания элементов режима, при котором обеспечивается требуемое качество сварного соединения при максимальной производитель­ности и  минимальной стоимости процесса.

Для данного способа сварки, марки основного металла и типа шва существует оптимальный режим, который в зависимости от конкретных условий может изменяться только в узких пределах. При разработке технологии оптимальный режим подбирают экс­периментальным путем или путем расчета на основе приведенных выше уравнений распространения теплоты при сварке. Если из-за отсутствия источников питания необходимой мощности, плохой подготовки под сварку, отсутствия электродов нужного диаметра и других технических причин нельзя применить опти­мальный режим сварки, то приемлемый для данных условий ре­жим выбирают опытным путем.