Сварные соединения с плоскими (стыковыми и угловыми) и вогнутыми (угловыми) швами лучше работают на переменную и динамическую нагрузку, так как нет резкого перехода от основного металла к сварному шву. В противном случае создается концентрация напряжений, от которых может начаться разрушение сварного соединения.
Для всех типов швов важны полный провар кромок соединяемых элементов и внешняя форма шва как с лицевой, так и с обратной стороны. В стыковых, особенно односторонних, швах трудно проваривать кромки притупления на всю их толщину без специальных приемов, предупреждающих прожог и обеспечивающих хорошее формирование обратного валика.
Большое значение также имеет образование плавного перехода металла лицевого и обратного валиков к основному металлу, так как это обеспечивает высокую прочность соединения при динамических нагрузках. В угловых швах также бывает трудно проварить корень шва на всю его толщину, и тогда рекомендуется вогнутая форма поперечного сечения шва с плавным переходом к основному металлу. Это снижает концентрацию напряжений в месте перехода и повышает прочность соединения при динамических нагрузках.
Химический состав сварного шва
Химический состав сварного шва значительно отличается от состава основного металла, так как в этой области происходит перемешивание основного и электродного металлов, различных присадок, используемых при сварке, а также продуктов реакций взаимодействия жидкой фазы с атмосферными газами и защитными средствами. Соотношение отдельных компонентов, сварного шва зависит от способа наложения шва, режимов сварки. К примеру, если сварной шов ведется с разделкой, то доля основного металла в структуре шва значительно снижается. Состав металла шва определяют с учетом коэффициента перехода n, показывающего, какая доля металла, содержащегося в электродной проволоке, переходит в металл шва. Величина этого коэффициента изменяется в широких пределах (0,3–0,95) в зависимости от химической активности элемента, вида и технологии сварки и др.
В процессе сварки расплавленный металл активно вступает в реакцию с атмосферными газами, поглощая их и тем самым снижая механические качества сварного шва. Так, при дуговой сварке дуга, контактирующая с металлом, состоит из смеси N 2 , O 2 , Н 2 , СO 2 , СО, паров Н 2 О, паров металла и шлака. В зоне плавления металла происходит процесс диссоциации – распад молекул на атомы. Под воздействием высоких температур молекулярный азот, водород и кислород распадаются и переходят в атомарное состояние, при котором активность газов значительно повышается.
К примеру, атомы кислорода начинают активно растворяться в жидкой фазе металла, а при достижении предела растворимости начинается химическое взаимодействие, сопровождающееся образованием оксидов. В результате этого примеси и легирующие элементы, содержащиеся в металле, окисляются. С повышением содержания кислорода в металле шва снижаются предел прочности, предел текучести, ударная вязкость. Кроме того, ухудшается коррозионная стойкость и жаропрочность сталей. Кислород попадает в зону сварки из окружающего воздуха, из влаги, находящейся на свариваемых кромках и флюсах, с покрытия электродов. Удаление кислорода из расплавленного металла достигается за счет введения в сварочную ванну кремния и марганца, которые взаимодействуют с оксидом железа, образуя шлак. Шлак в процессе кристаллизации образует на поверхности шва твердую корку, которая удаляется механическим путем.
Растворение азота в жидкой фазе большинства конструктивных металлов сопровождается образованием соединений, называемых нитридами. Это приводит к старению металла и повышению его хрупкости. Азот попадает в зону сварки из окружающего воздуха, и для недопущения образования нитридов сварочную ванну изолируют средой защитных газов. Защиту сварного шва осуществляют при сварке легированных, жаропрочных сталей и большинства цветных металлов.
Весьма нежелательным процессом является растворение водорода, что приводит к возникновению гидридов. Образование этих соединений в ЗТВ приводит к появлению пор, микро– и макротрещин. Водород попадает в зону сварки из атмосферного воздуха и при разложении влаги, которая имеется на свариваемых кромках, в покрытии электродов, защитных флюсах и т. д. Снижению содержания водорода способствуют предварительное прокаливание и тщательная зачистка электродов и свариваемых поверхностей.
Окись углерода в жидкой фазе металла практически не растворяется, но влияние этого соединения на качество сварного шва огромно. В результате процесса кристаллизации металла окись углерода начинает выделять пузырьки, образуя поры в массиве сварного шва.
Отличия сварочной ванны от металлургической, в которой плавят сталь, следующие:
● малый объем и кратковременность существования ванны, поэтому плохо перемешивается металл; возможны поры из-за того, что не успевают выделиться газы; шлаковые включения в сварном шве;
● вследствие значительной поверхности контакта расплавленного металла с атмосферой происходит выгорание "полезных" кремния и магния и образование окислов железа (наличие кислорода в стали приводит к снижению ее прочности, пластичности и коррозионной стойкости и сообщает стали красноломкость), а насыщение сварного шва азотом увеличивает хрупкость.
Негативное влияние на состав сварного шва оказывает сера, которая находится в основном и присадочном металлах, в покрытиях, флюсах и т. д. Под действием высоких температур в сварочной ванне образуется сульфид железа (FeS), который в процессе кристаллизации образует эвтектику , температура плавления которой ниже, чем у основного металла.
Пары воды, находящиеся в жидкой фазе металла, взаимодействуют с ней, образуя оксиды железа и водород.
Бороться с этими вредными явлениями чрезвычайно трудно, и полностью изолировать сварочную ванну от влияния атмосферных газов чаще всего не удается. Для того чтобы снизить влияние на сварочную ванну атмосферных газов, применяют разные виды защиты – электродное покрытие, защитные газы, флюсы, вакуум и т. д. Это значительно снижает интенсивность металлургических реакций и позволяет добиться хорошего качества сварного шва. Кроме того, большая скорость охлаждения сварочной ванны не позволяет металлургическим реакциям завершиться полностью. Поэтому для регулирования сварочных процессов особое значение приобретают различные флюсы.
Сварочные флюсы
Флюс – это неметаллический материал, который вводится в зону сварки, наплавки, пайки, где под действием высоких температур, поддерживаемых в зоне сварки, плавится, образуя шлак. Покрывая сплошной пленкой сварочную ванну, шлак изолирует расплавленный металл от атмосферных газов, сдерживая металлургические реакции. Кроме того, сварочные флюсы уменьшают скорость охлаждения сформировавшегося шва, обеспечивают нужное качество металла шва за счет легирования, улучшают формирование шва, восстанавливают окислы, разжижают и понижают температуру шлаков, стабилизируют горение дуги, улучшают растекаемость металла. Флюсы должны обеспечивать легкую отделяемость шлака, минимизировать количество вредных газов и пыли, выделяющихся при сварке, а также уменьшать потери электродного металла на угар и разбрызгивание.
В сварочном процессе роль флюсов, особенно керамических, огромна. К примеру, флюсы, содержащие в своем составе марганец и кремний, способствуют процессу восстановления этих веществ и частично препятствуют окислению углерода, что снижает вероятность образования пор в металле шва. Образовавшийся при этом оксид железа переходит в шлак.
В состав сварочных материалов могут входить вредные вещества (сера, фосфор и др.), которые оказывают отрицательное влияние на качество шва, являясь причиной хрупкости сварного соединения и образования горячих трещин. В нейтрализации этих вредных явлений участвует содержащийся во флюсах марганец. Он является более активным элементом, чем свариваемый металл, и, вступая в реакцию с сульфидом железа FeS, образует менее растворимый сульфид марганца MnS, вызывая тем самым перераспределение серы из расплавленного металла в шлак и предотвращая появление горячих трещин.
Однако флюсы могут оказывать и негативное воздействие, способствуя увеличению размера кристаллов. Избежать этого помогает добавление специальных модификаторов, содержащих алюминий, титан или ванадий, которые измельчают структуру шва, улучшая его прочностные характеристики.
Для дуговой сварки и наплавки применяют обычно зернистый, порошкообразный флюс. Такой же флюс, но с дополнительными свойствами по электропроводности, используют и для электрошлаковой сварки. Для газовой сварки и пайки в качестве флюсов применяют пасты, порошки и газ.
Флюс получают сплавлением составляющих его компонентов и последующим дроблением (плавленые флюсы) или механическим связыванием (склеиванием) порошкообразных компонентов с последующим измельчением (неплавленые флюсы).
По назначению флюсы разделяют на три группы: для сварки углеродистых и легированных сталей, для сварки высоколегированных сталей, для сварки цветных металлов и их сплавов. В зависимости от химического состава различают флюсы высококремнистые (более 35 % кремнезема), низкокремнистые (до 35 % кремнезема), безмарганцевые (менее 1 % марганца), марганцевые (более 1 % марганца). Изготавливают также легированные флюсы, содержащие чистые легирующие металлы или ферросплавы. Флюсы для автоматической сварки выпускаются по ГОСТ 9087–81. Флюс с размером зерен от 0,25 до 1,60 мм предназначен для сварки проволокой диаметром до 3,00 мм, с размерами зерен от 0,35 до 3,00 мм – для сварки проволокой диаметром более 3,00 миллиметров.
Плавленые флюсы изготавливаются двух видов: стекловидные (зерна прозрачные, от светло-желтого до бурого и коричневого цвета) и пемзовидные (пористые зерна светлой окраски). Объемная масса стекловидных флюсов – от 1,3 до 1,8 кг/дм , пемзовидных – не более 1 кг/дм . Наиболее распространены стекловидные флюсы.
К неплавленым флюсам относятся керамические, которые используются главным образом как легирующие: они малочувствительны к ржавчине, окалине и влаге на кромках свариваемых швов; добавление керамических флюсов к стекловидным позволяет получать швы высокого качества даже при плохой очистке кромок.
По сложившейся традиции, марки флюсов обычно указывают наименование разработчика и порядковый номер флюса. Так, флюсы, разработанные ИЭС им. Е. О. Патона, имеют сериал, обозначенный буквенными индексами "АН" (АН-348-А; АН-20; АН-22 и т. д.), что обозначает – "Академия наук" (в составе которой находится ИЭС им. Патона). Флюсы, предложенные НПО ЦНИИТМАШ, имеют сериал "ФЦ" – флюсы ЦНИИТМАШ.
Преимущество плавленых флюсов перед керамическими – это более высокие технологические свойства (защита, формирование, отделяемость шлаковой корки и др.) и меньшая стоимость. Преимуществом керамических флюсов является возможность в более широких пределах легировать металл шва через флюс. В промышленности применяют преимущественно плавленые флюсы.
Высококремнистыми и марганцовистыми флюсами являются флюсы ОСЦ-45 и АН-348-А, АН-348Ш, шихта которых состоит из марганцевой руды (МnО), кварцевого песка (SiO 2 ) и плавикового шпата (фтористого кальция CaF 2 ). Буква А в конце марки флюса обозначает, что грануляция крупная (для автоматической сварки), а буква ∅ – мелкая грануляция, т. е. для использования при полуавтоматической сварке шланговыми полуавтоматами.
Для автоматической наплавки под флюсом служат те же флюсы, что и для сварки. Наиболее распространены плавленые флюсы АН-348-А; ОСЦ-45; АН-20; АН-60; 48-ОФ-6; АН-26; АН-15М; АН-8; АН-25; АН-22; АНФ-6 в сочетании с легированными проволоками.
Основы электродуговой сварки
Электродуговая сварка получила наиболее широкое распространение в промышленности, мелкосерийном производстве и в кустарных мастерских. С применением электродуговой сварки в настоящее время осуществляется примерно 65 % сварочных работ. И именно она рекомендуется для применения домашним умельцам.
Источником нагрева и расплавления свариваемого металла при дуговых способах сварки является сварочная дуга, представляющая собой длительный мощный электрический разряд, происходящий в ионизированной среде между двумя электродами или электродом и деталью (рис. 9). При этом начальная фаза среды может быть любой: твердой (например, сварочный флюс); жидкой (например, вода); газообразной (например, аргон); плазменной. Температура в столбе сварочной дуги колеблется от 5000 до 12 000 К и зависит только от состава газовой среды дуги. Длиной сварочной дуги называют расстояние между концом электрода и поверхностью кратера (углубления) сварочной ванны.
Рис. 10. Ручная дуговая сварка покрытыми электродами:
1 – деталь; 2 – стержень электрода; 3 – покрытие; 4 – дуга; 5 – сварочная ванна
Дуговая сварка неплавящимся электродом . В настоящее время в качестве неплавящегося электрода используют преимущественно стержни из чистого вольфрама, реже из графита (рис. 11).