Флюсы для дуговой сварки углеродистых конструкционных сталей

Для сварки углеродистых сталей следует применять флюсы, удовлетворяющие основным требованиям* обеспечение устойчивости процесса сварки; отсутствие кристаллизационных трещин и пор в шве; обеспечение требуемых механических свойств металла шва и сварного соединения в целом; хорошее формирование шва; легкая отделимость шлаковой корки; минимальное выделение вредных газов при сварке; низкая стоимость флюса и возможность промышленного изготовления.

Устойчивость процесса дуговой сварки в первую очередь зависит от устойчивости (стабильности) горения дуги. Под последней обычно понимают постоянство во времени основных электрических характеристик дуги, а именно: постоянство значений напряжения дуги и силы тока.

Сварочная дуга является одним из видов электрического разряда в газах, а поэтому устойчивость ее горения, при прочих равных условиях, определяется составом атмосферы дуги. При нагреве теплотой дуги флюс выделяет газы и пары, изменяя этим состав атмосферы дуги. Наличие в составе флюса соединений щелочных и щелочноземельных металлов устойчивость Процесса сварки, тогда как фтористыё соединения уменьшают ее.

Стойкость швов против образования кристаллизационных трещин зависит от химического состава металла шва. Изменяя содержание в металле шва углерода, серы и марганца, флюс оказывает влияние на стойкость швов против кристаллизационных трещин. При сварке флюс расплавляется, превращаясь в шлак, и взаимодействует с жидким металлом. Длительность их взаимодействия очень невелика и в зависимости от режима сварки может составлять от 10—15 с до 1 мин. Затем, когда металл и шлак затвердеют, их взаимодействие прекращается. Несмотря на кратковременность, взаимодействие жидких металла и шлака происходит довольно энергично. Это обусловлено высокими температурами, до которых нагреваются металл и шлак, большими поверхностями их контактирования и сравнительно большим относительным количеством шлака, составляющим в среднем 30—40% массы металла.

Реакции, протекающие между жидкими металлом и шлаком в процессе их взаимодействия, являются реакциями вытеснения одного элемента из шлака в металл другим или же реакциями распределения элемента между металлом и шлаком.

Так, при сварке углеродистой стали под плавленым высококремнистым марганцевым фл юсом (например, АН-348-А) марганец и кремний частично вытесняются железом из шлака и переходят в металл сварочной ванны [см. реакции (7-2) и (7-3))]. Стрелки указывают, что реакции могут идти в обоих направлениях: слева направо в зоне высоких температур вблизи дуги (восстановление марганца и кремния) и справа налево в затвердевающей части сварочной ванны (окисление марганца и кремния). Направление реакций зависит также от концентрации реагирующих веществ. При большом содержании марганца или кремния в металле сварочной ванны, отсутствии МпО и Si02 или большом содержании FeO в шлаке окисление марганца и кремния может происходить и в зоне высоких температур сварочной ванны.

Величина перехода кремния пропорциональна содержанию Si02 во флюсе (рис. 7-30). При одинаковом содержании Si02 величины перехода кремния могут быть разными: чем больше FeO и СаО во флюсе, тем переход меньше. В том же направлении действует повышение содержания кремния в сварочной проволоке

и основном металле. Переход кремния из флюса в металл сварочной ванны предупреждает возникновение пористости швов от выделения СО на кипящей и полу-Рис. 7-30. Переход кремния из флюса в металл шва в зависимости от содержания во флюсе Si02

спокойной углеродистой стали и уменьшает опасность появления пористости швов на успокоенной углеродистой стали.

Переход марганца из флюса в металл сварочной ванны тем выше, чем больше содержание окислов марганца во флюсе. Увеличение содержания марганца в металле за счет прохождения реакции (2—9) повышает стойкость сварных швов на углеродистой стали против образования кристаллизационных трещин. При сварке под высококремнистым безмарганцевым флюсом происходит окисление содержащегося в металле марганца вследствие прохождения реакции (7-1). Для обеспечения необходимого содержания марганца в металле шва при сварке под этими флюсами применяют низкоуглеродистую марганцовистую проволоку, содержащую 1,5—3,0% Мп.

От состава шлака зависит реакция распределения серы между шлаком и металлом:

Сера оказывает резко отрицательное влияние на стойкость металла шва против образования кристаллизационных трещин, поэтому следует снижать ее содержание в металле шва. При флюсах с высоким содержанием Si02, Ti02 и А1203 — так называемых кислых окислов сера переходит из флюса в металл. Чем больше окислов марганца в высококремнистом марганцевом флюсе и меньше FeO, тем меньше переход серы в металл. На рис. 7-31 показано влияние содержания МпО в плавленом высококремнистом марганцевом флюсе на величину перехода серы в металл шва. При содержании 25% МпО и более сера почти не переходит из флюса в металл шва. Данные на рис. 7-31 относятся к флюсам, содержащим около 0,1% S и 40—45% Si02.

Повышение содержания марганца в металле сварочной ванны и введение в нее алюминия и титана препятствует переходу серы из шлака в металл. При сварке под основными флюсами сера переходит из металла в шлак.

Реакция окисления углерода проходит в металле сварочной ванны без участия флюса. Однако интенсивность прохождения ее зависит от состава флюса — основного источника поступления кислорода в металл. Углерод окисляется более интенсивно при сварке под флюсами, содержащими значительные количества FeO, МпО и Si02. Окисление углерода ведет к уменьшению его концентрации в металле шва, что повышает стойкость шва против образования кристаллизационных трещин.

Другой опасный дефект швов, сваренных под флюсом, — пористость. При сварке под флюсом основными причинами возникновения пор в швах могут быть загрязнение основного металла и сварочной проволоки ржавчиной, маслом и т. п., влажный флюс и др. Роль флюса в предупреждении появления пор заключается в защите металла сварочной ванны от доступа воздуха; выделении в атмосферу дуги газов и паров, снижающих концентрацию в ней водорода путем разбавления; выделении в атмосферу дуги газообразных соединений фтора, образующего с водородом нерастворимый в жидкой стали фтористый водород; окислении металла сварочной ванны.

Для уменьшения пористости швов в состав флюса вводят фтористый кальций или фтористый натрий, флюс тщательно прокаливают перед сваркой и т. д. Так как наиболее эффективно связывает водород в виде HF газообразный фтористый кремний, то чем больше в составе флюса CaF2 и Si02 и меньше СаО, Na20 и К20, тем больше в атмосфере дуги находится водорода в виде Н F.

Для получения плотных швов на кипящей и полуспокойной стали важное значение имеет кремниевосстановительный процесс и поступление кремния в металл сварочной ванны из других источников.

Требуемые механические свойства металла шва и сварного соединения в целом обеспечиваются путем получения швов нужного химического состава и без дефектов. Для механических свойств металла шва существенное значение имеет реакция восстановления фосфора

При сварке под флюсами, содержащими значительные количества кислых окислов, эта реакция во всех частях сварочной ванны идет в правую сторону, т. е. фосфор восстанавливается из флюса в металл. Так как фосфор является вредной примесью, для уменьшения прохождения этой реакции необходимо максимально снижать содержание фосфора во флюсе. Окисление фосфора и переход его из металла в шлак может иметь место только при сварке под основными окислительными флюсами и то лишь в небольшой степени.

Реакции взаимодействия шлака и металла зависят от соотношения между количествами реагирующих флюса и металла. Чем больше соотношение между флюсом и металлом, тем сильнее взаимодействие. Изменяя режим сварки, можно изменять соотношение между расплавляемыми флюсом и металлом, влияя этим на интенсивность их взаимодействия.

В шихту для изготовления высококремнистых марганцевых флюсов обязательно входит марганцевая руда, которая вместе с тем является главным источником загрязнения флюса фосфором. В связи с этим во флюсах данного типа содержание фосфора может быть чрезмерно высоким (до 0,2%). При сварке углеродистой

или низколегированной стали под высококремнистым марганцевым флюсом фосфор в результате прохождения реакции (7-8) интенсивно переходит из флюса в металл шва.

На рис, 7-32 показан график влияния содержания фосфора во флюсе на величину перехода фосфора из плавленого высококремнистого марганцевого флюса в металл шва. Различие величин перехода фосфора при одном и том же содержании его во флюсе обусловлено влиянием исходного содержания фосфора в сварочной проволоке и основном металле и влиянием степени окисленности флюса и его состава. Чем больше содержится фосфора в сварочной проволоке и основном металле, тем меньше его перейдет из флюса в металл шва, потому что будет задерживаться прохождение реакции (7-8). В том же направлении действует повышение степени окисленности флюса и увеличение содержания в нем FeO.

Формирование шва прежде всего зависит от режима сварки, т. е. от длины дуги, ее подвижности и т. п. В одинаковых условиях длина дуги и ее подвижность зависят от размеров зерен флюса. При сварке под крупным флюсом дуга более подвижна и ширина шва больше, чем при сварке под мелким флюсом. Соответственно этому глубина провара больше при сварке под мелким флюсом, чем под крупным.

Внешний вид шва в значительной мере зависит от равномерности отложения металла, зависящей от состояния сварочной ванны. Кипение сварочной ванны вследствие выгорания углерода и выделения растворенных в металле газов может значительно ухудшить внешний вид шва. Повышение окисленности флюса, способствующее интенсивному окислению углерода, также ухудшает внешний вид шва. Введение в сварочную ванну вместе с флюсом раскислителей успокаивает ее и способствует образованию швов с более мелкими чешуйками на поверхности.

Если при температуре затвердевания металла вязкость флюса очень высокая, то шов имеет форму затвердевшей шлаковой корки. Чрезмерно жидкоплавкий флюс также ухудшает формирование швов. В данном случае образуется много шлака, затрудняющего процесс сварки. Хорошее качество формирования швов обеспечивается при средних величинах вязкости флюса.

Хорошо сформированные кольцевые швы при сварке изделия малого диаметра образуются в том случае, если отсутствует стекание расплавленного шлака. Жидкий шлак, стекая в процессе

сварки, тянет за собой жидкий металл и в результате образуются плохо сформированные бугристые швы с натеками металла, подрезами и т. п. Характер формирования швов зависит от свойств применяемого флюса. На рис. 7-33 показано изменение вязкости в зависимости от температуры для двух жидких флюсов. Для короткого флюса нисходящая ветвь кривой вязкости круто падает вниз, что указывает на быстрое уменьшение вязкости флюса с повышением температуры. Для длинного флюса изменение вязкости происходит значительно медленнее.

Для сварки кольцевых швов малого диаметра, а также для наплавки небольших деталей цилиндрической формы значительно больше подходят короткие флюсы, потому что при них шлак твердеет быстро и надежно удерживает сварочную ванну от растекания. В связи с этим для сварки кольцевых швов, особенно кольцевых швов малого диаметра, желательно применять специальные флюсы, например ФЦ-1.