 |
Реклама. ООО ГК "Велунд Сталь Сибирь" ИНН 5405075282 Erid: 2SDnjf1Guop
| |
Защитные свойства газов
Влияние защитных газов на характеристики газового разряда
Плавление электродной проволоки и перенос капель металла через дугу
Взаимодействие защитных газов с металлом при сварке
Возможности использования различных газов в качестве защитной амтмосферы при дуговой сварке плавящимся электродом
Защитные свойства газов
Общеизвестно, что металл швов, выполненных дуговой сваркой голыми электродами в атмосфере воздуха, обладает неудовлетворительными свойствами. Поэтому защита переплавляемого дугой жидкого металла от воздействия воздуха является необходимой функцией всех применяемых в современных методах сварки флюсов, обмазок и газов. Другие функции флюсов, обмазок и газов (раскисление и легирование металла шва, образование шлака на его поверхности и т.п.) не всегда являются необходимыми. Газовая защита жидкого металла от воздуха может осуществлятся или газами, образующимися в зоне сварки в результате нагревания или сгорания некоторых компонентов флюсов и обмазок (мел, мрамор, плавиковый шпат, крахмал, целлюлоза и т.д.), или газами, специально вводимыми в зону сварки.
Под сваркой в защитных газах подразумевают только такие способы сварки, в которых газ подается в зону сварки через внутренние каналы и сопло специальной горелки.
Количество газа, которое необходимо подавать в единицу времени (расход газа) для оттеснения воздуха от зоны сварки, зависит от многих факторов: теплофизических свойств защитного газа, конструкции применяемой газоэлектрической горелки и параметров режима сварки (тока, напряжения на дуге, расстояния от торца сопла до поверхности свариваемого металла и др.).
Надежность защиты зоны сварки от воздуха повышается, а необходимый расход газа понижается с увеличением удельного веса газа и его способности к термической диссоциации. С увеличением удельного веса газа повышается устойчивость струи газа, что затрудняет ее сдувание потоками воздуха. Диссоциация защитного газа в зоне сварки сопровождается увеличением объема газа (кроме термического расширения) и следовательно, более интенсивным оттеснением воздуха. Например, при полной диссоциации из 100 объемов углекислого газа образуется 150 объемов окиси углерода и кислорода.
В табл. ниже приведены некоторые теплофизические свойства газов, используемых в качестве защитной атмосферы при сварке плавящимся электродом.
Некоторые теплофизические свойства газов:
Расход газа обычно измеряется в м3/час, л/час или л/мин. При выбранном оборудовании и установленных параметрах режима сварки минимальный расход газа, обеспечивающий достаточно полное вытеснение воздуха из зоны сварки, устанавливается опытным путем. Экспериментально установлено, что при сварке неплавящимся и плавящимся электродом увеличение расхода газа сверх минимально необходимого мало влияет на состав и свойства металла шва.
Минимальный расход газа, необходимый для полного вытеснения воздуха из зоны сварки, можно определить путем наблюдения и фотографирования окрашенного защитного газа, а также анализа содержания в металле шва азота или легко окисляющихся легирующих элементов.
На рис. справа и в табл. ниже представлены данные по изменению содержания легирующих элементов и плотности металла шва, позволяющие определить минимальный расход углекислого газа при сварке стали 1Х18Н9Т на токах 235-250 а и диаметре газового сопла 16 мм.
Из данных, приведенных на рис. справа и табл. ниже, видно, что при принятом режиме сварки минимальный расход углекислого газа составляет 500-600 л/час.
Как правило, расход газа при сварке (оптимальный) принимают несколько большим, чем минимально необходимый. Расход газа следует повышать при сквозняках, а также при увеличении диаметра газового сопла, расстояния от торца сопла до металла, тока, напряжения на дуге и скорости сварки.
Результаты опытов по определению минимально необходимого расхода углекислого газа:
Некоторую экономию газа при сварке можно получить за счет уменьшения выходного отверстия газового сопла горелки. Однако при этом следует учитывать, что уменьшение диаметра сопла увеличивает опасность попадания воздуха в зону сварки вследствие более быстрого засорения горелки и возможного выхода дуги из потока защитного газа при больших изгибах электродной проволоки.
При сварке плавящимся электродом чаще всего используются сопла с диаметром выходного отверстия от 12 до 20 мм, при этом скорость истечения газа (аргона и углекислого газа) из сопла го релки обычно находится в пределах 0,6-1,5 м/сек. Чрезмерно высокая скорость истечения газа может вызвать его завихрение и подсос воздуха в зону сварки вследствие проявления эффекта инжекдии. Возможность завихрения газа увеличивается с повышением его плотности и уменьшением вязкости. Считается, что при прочих равных условиях расход углекислого газа при сварке можно принимать на 50% меньше, чем расход аргона.
Среди множества производителей инверторов для сварки в среде защитных газов, особняком выделяется оборудование компании "Rosweld" - roswelding.ru, которое имеет ряд интересных характеристик:
- данное оборудование универсально и его владелец может производить РДС, TIG или полуавтоматическую сварку;
- аппараты имеют модульную основу силовой установки, благодаря чему ее можно заменять, наращивать, а кроме того система охлаждения позволяет работать с эффективностью 100% (т.е. вообще перерывов для охлаждения аппарата);
- оборудование Rosweld имеет уже готовые режимы сварки для разных металлов, цифровое управление и множество важных функций, облегчающих процесс сварки (горячий старт, управление коротким замыканием и т.д.);
- кроме того сварочные аппараты имеют высокий класс защиты IP34.
Таким образом оборудование Rosweld выделяется на фоне других производителей высоким качеством и множеством полезных функций.
Влияние защитных газов на характеристики газового разряда
Подаваемые в зону сварки защитные газы влияют на устойчивость дугового разряда, расплавление основного и электродного металла, характер переноса электродного металла в дуге, а также могут химически взаимодействовать с переплавляемым дугой жидким металлом.
Электрическая дуга, горящая при атмосферном давлении, отличается большой сложностью протекающих в ней процессов. До настоящего времени эти процессы изучены недостаточно. Для сварщиков большой интерес представляет хотя бы приближенно рассмотреть влияние защитных газов на характеристики (устойчивость дугового разряда, перенос металла в дуге, плавление основного и электродного металла и др.), опеределяющие технико-экономические показатели процесса сварки.
Решающим фактором, определяющим свойства и устойчивость дугового разряда, является температура столба дуги, зависящая от потенциала ионизации дугового газа.
К.К. Хренов, сделав допущение, что столб дуги теряет энергию только путем излучения, и, приняв средние значения плотности тока по сечению столба, вывел на основании известного уравнения индийского ученого Сага приближенную зависимость, связывающую температуру столба дуги с эффективным (результирующим) потенциалом ионизации дугового газа
Тд = 800Uj (2)
где Тд - температура столба дуги в ° К;
Uj-потенциал ионизации дугового газа.
На эффективный потенциал ионизации многокомпонентного дугового газа большое влияние оказывают компоненты с низкими потенциалами ионизации. Введение в атмосферу дуги элементов с низким потенциалом ионизации снижает температуру столба дуги, но повышает устойчивость ее горения. Влияние таких компонентов увеличивается с уменьшением их температуры кипения (с увеличением летучести).
В столбе реальной сварочной дуги, возбужденной между металлическими электродами, кроме газов всегда содержатся пары металлов, имеющие низкий потенциал ионизации.
В табл. ниже приведены наименьшие потенциалы ионизации некоторых элементов, которые могут присутствовать в атмосфере дуги при сварке сталей. В этой же таблице указаны расчетные температуры столба дуги при его заполнении парами или газами одного компонента.
Наименьшие потенциалы однократной ионизации некоторых газов и элементов и температуры столба дуги:
По экспериментальным данным И. В. Кирдо, М. Я. Броуна и Г. И. Погодина-Алексеева, температура дуги, горящей между железными электродами в атмосфере воздуха, составляет 6100-8250° К.
Результирующие потенциалы ионизации дугового газа (7,6- 10,3 в), соответствующие этим температурам, меньше потенциалов ионизации азота и кислорода воздуха и мало отличаются от потенциалов ионизации железа и его примесей. Последнее позволяет предполагать, что при сварке металлов плавящимся электродом в атмосфере защитных газов температура дуги слабо зависит от потенциалов ионизации защитного газа. Сказанное, однако, не распространяется на такие газы, как хлор, фтор и др., ионизация которых сопровождается образованием электроотрицательных ионов, снижающих устойчивость горения дуги. Влияние потенциала ионизации защитного газа на температуру и устойчивость дуги, вероятно, является значительным лишь в моменты ее зажигания, когда столб дуги содержит мало паров металла. Однако практические опыты по сварке в различных газах неплавящимся и плавящимся электродами указывают на большую зависимость устойчивости дуги, а следовательно, и ее температуры от природы защитного газа. Последнее, по-видимому, вызывается различной охлаждающей способностью этих газов, зависящей от их теплофизических свойств.
Под охлаждающей способностью газа понимается количество тепловой энергии, поглощаемой одним объемом газа в столбе дуги. Известно, что с увеличением охлаждения повышается температура и снижается устойчивость дугового разряда.
Тепло, поглощаемое защитным газом при его поступлении в зону дуги, может складываться из тепла, идущего на нагрев, диссоциацию и ионизацию газа, а также тепла химических реакций газа с другими элементами:
q = qнагр + qдиссоц + qиониз + q хим. реакц. (3)
Устойчивость дуги заметно снижается с увеличением теплоемко cти, теплопроводности и степени диссоциации защитных газов. Графические зависимости степени диссоциации некоторых газов от температуры по данным, приведены на рис. ниже.
В табл. ниже сопоставлены данные теплофизических свойств некоторых газов с качественной оценкой устойчивости дуг, горящих в этих газах.
Сопоставление данных, приведенных в табл. ниже, свидетельствует о большом влиянии охлаждающей способности газа на устойчивость дуги. Несмотря на то, что водород обладает самым низким потенциалом ионизации из всех исследованных газов, сварочная дуга в атмосфере этого газа имеет сравнительно плохую устойчивость.
Теплофизические свойства газов и качественная оценка устойчивости дуг (сварка плавящимся электродом диаметром 2 мм стали 1Х18Н9Т):
Примечания:
1. Значения удельной теплоемкости при 2000J С приведены для идеального состояния газов без учета их диссоциации.
2. Сравнительная оценка устойчивости дуги в атмосфере гелия сделана на основании литературных данных.
Последнее, очевидно, обусловливается высокой теплопроводностью и степенью термической диссоциации водорода. Сравнительно хорошая устойчивость дуги в атмосфере углекислого газа, несмотря на высокую степень его термической диссоциации, объясняется, вероятно, экзотермическим эффектом химических реакций этого газа с металлом.
Плавление электродной проволоки и перенос капель металла через дугу
От скорости плавления электродного металла и характера его переноса через дугу зависит производительность процесса сварки и интенсивность разбрызгивания жидкого металла.
Скорость плавления электродной проволоки при сварке в среде защитных газов в основном зависит от рода, полярности, величины и плотности тока, напряжения на дуге, материала электрода и природы защитного газа.
По скорости плавления электродной проволоки, выражаемой обычно через коэффициент расплавления можно оценивать устойчивость дугового разряда. Чем меньше коэффициент расплавления, тем выше устойчивость дуги. Сварка в защитных газах плавящимся электродом преимущественно производится на постоянном токе обратной полярности (катодом является изделие), обеспечивающей лучшую устойчивость дуги, меньшее разбрызгивание и мелкокапельный перенос металла. Коэффициент плавления электродной проволоки на прямой и обратной полярности возрастает с увеличением тока и его плотности.
Установлено, что при сварке на обратной полярности покрытыми электродами, под флюсом, в инертных газах с добавками кислорода, азота, водорода и углекислого газа (А.В. Петров), а также в различных защитных газах коэффициент плавления электродной проволоки мало зависит от состава дуговой атмосферы. Исключением является водород, введение которого в зону сварки по некоторым данным сопровождается небольшим увеличением коэффициента плавления электродной проволоки.
При сварке же на прямой полярности введение в дуговую атмосферу элементов с низким потенциалом ионизации уменьшает, а с высоким потенциалом ионизации увеличивает коэффициент расплавления электродной проволоки.
При сварке в атмосфере инертных газов необходимо, а в С02 желательно, чтобы расплавленный металл переходил с электрода в сварочную ванну в виде мелких капель. При мелкокапельном переносе металла повышается стабильность горения дуги, уменьшается разбрызгивание и улучшается вид шва. Характер переноса электродного металла через дугу обусловливается совокупным воздействием на металл электрических и магнитных сил, а также сил тяжести, поверхностного натяжения металла и давления выделяющихся из металла паров и газов. Степень влияния каждого из этих факторов на характер переноса металла, в свою очередь, зависит от рода, полярности и величины тока, материала электрода, состава дуговой атмосферы и других причин. Перенос электродного металла через дугу наиболее полно изучен при сварке в инертных газах.
С помощью скоростной киносъемки и осциллографирования дуги установлено, что при сварке малоуглеродистой стали в инертных газах электродом диаметром 2 мм на токах 300-350 а электродный металл переносится через дугу в виде крупных капель (несколько капель в секунду) при применении прямой полярности и в виде мелких капель (несколько сот капель в секунду) при применении обратной полярности.
При сварке в защитных газах, как и при всех других способах сварки плавящимся электродом, размеры электродных капель уменьшаются с увеличением плотности тока. При выборе режима сварки стараются использовать токи выше «критического», при которых перенос металла имеет устойчивый «струйный» (мелкокапельный) характер.
Применяя электроды, на поверхность которых нанесены тонкие слои окислов Са, Cs, Th, Ва и некоторых других элементов, можно значительно улучшить характер переноса металла при сварке на постоянном токе прямой полярности и даже при сварке на переменном токе.
Аналогичное действие на характер переноса металла оказывают небольшие добавки (0,5-5,0%) к инертным газам кислорода или углекислого газа, которые вызывают появление на поверхности металла окисных пленок, способствующих более интенсивной эмиссии катода.
Сварка в углекислом газе на одинаковых токах характеризуется по сравнению со сваркой в инертных газах с небольшими добавками кислорода (до 5%) более крупным размером электродных капель к большим разбрызгиванием электродного металла.
При сварке в углекислом газе для получения мелкокапельного переноса металла с электрода на изделие и уменьшения его разбрызгивания необходимо использовать большие плотности тока (100-300 а/мм2). Размер электродных капель при сварке в атмосфере этого газа в большой степени зависит от состава металла электрода. Замечено, что при сварке в углекислом газе разбрызгивание жидкого металла возрастает с увеличением содержания углерода в электродной проволоке и основном металле (увеличивается количество выделяющейся окиси углерода) и несколько уменьшается с увеличением количества элементов-раскислителей.
По литературным данным, базирующимся на скоростной киносъемке дуги со скоростью 4000 кадров в секунду, при оптимальных условиях сварки в углекислом газе потери металла от разбрызгивания ничтожны.
Взаимодействие защитных газов с металлом при сварке
Все встречающиеся в природе газы можно разделить по отношению к свариваемому металлу на инертные и активные. Под инертными следует понимать такие газы, которые практически не растворяются в свариваемом металле и не образуют с ним и его примесями химических соединений. «Идеальными» инертными газами, не взаимодействующими в заметной степени со всеми металлами, являются одноатомные газы нулевой группы периодической системы Менделеева, из которых в сварке нашли применение аргон и гелий. Все остальные газы, способные взаимодействовать в процессе сварки с металлом (растворяющиеся в нем или образующие с ним химические соединения, или и то и другое одновременно) можно назвать активными газами.
Некоторые из таких газов являются инертными по отношению к одному металлу и активными по отношению к другому.
Активные защитные газы интенсивно взаимодействуют при сварке с переплавляемым дугой жидким металлом и очень слабо взаимодействуют с твердым металлом. Это дает основание предполагать, что состав, структура и свойства основного металла слабо зависят от химической активности защитного газа. Поэтому в дальнейшем будет рассматриваться взаимодействие защитного газа только с переплавляемым дугой жидким металлом. В металле газы могут находиться в виде отдельных атомов, ионов или в различной степени диссоциированных химических соединений. В молекулярном состоянии газы могут присутствовать только в порах, раковинах и трещинах металла. Как правило, наличие газов в твердом металле, в том числе и в металле сварного шва, является нежелательным. Растворение газов в металле в большинстве случаев является эндотермическим процессом, благодаря чему предел растворимости газа повышается с увеличением температуры.
При дуговой сварке металл подвергается быстрому нагреву и охлаждению. При этом растворение газов в металле при нагреве и их выделение при охлаждении может служить причиной образования пор в металле швов. Интенсивность взаимодействия газов с металлом зависит от природы металла и газа, их температуры и парциального давления газа над металлом.
Из всего многообразия активных газов наибольший интерес для металлургов и сварщиков представляют элементарные двухатомные газы: водород, азот и кислород, почти всегда присутствующие в зоне сварки и металле в свободном состоянии или в составе более сложных газов и химических соединений.
При дуговой сварке водород, азот и кислород находятся в атмосфере дуги в молекулярном и атомарном состояниях, соотношения между которыми определяются температурой. Растворимость этих газов в металле в зависимости от их парциального давления над металлом при постоянной температуре выражается уравнением
где [Г]- концентрация газа в металле; К- константа;
Рг,г2- общее парциальное давление атомарного и молекулярного газа;
а - степень диссоциации газа при данной температуре. Растворимость газов в металле в значительной степени зависит от температуры газа и металла. Растворимость двухатомных газов О2, N2, Н2 в железе и большинстве сплавов на его основе увеличивается с повышением температуры (рисунки. ниже). Температура металла и газа и их контактная поверхность в большой степени зависят от способа дуговой сварки.
 
При сварке независимой дугой нагрев металла является наименее концентрированным (действие независимой дуги на свариваемый металл аналогично действию сварочного пламени при газовой сварке) и средняя температура сварочной ванны вряд ли может существенно превышать точку плавления свариваемого металла.
При сварке дугой прямого действия неплавящимся электродом часть поверхности сварочной ванны является катодным или анодным пятном, имеющим температуру, близкую к температуре кипения металла. Последнее обусловливает более интенсивное растворение газов в металле сварочной ванны.
При сварке плавящимся электродом часть поверхности сварочной ванны также является анодным или катодным пятном, но, кроме того, электродный металл проходит в каплеобразной форме через дуговой промежуток, обладающий температурой около 6000-8000° К, в котором он может поглощать значительное количество газов.
Следовательно, растворение активных защитных газов в переплавляемом дугой жидком металле будет наиболее интенсивным при дуговой сварке плавящимся электродом и наименее интенсивным при сварке дугой косвенного действия. Очевидно, что при сварке неплавящимся электродом дугой прямого действия условия растворения активных газов в металле шва будут промежуточными.
Сварка в среде защитных газов производится тонкими плавящимися электродами при больших плотностях тока. Б. Е. Патоном и И. В. Кирдо было показано, что при сварке под флюсом увеличение плотности тока приводит к уменьшению размеров электродных капель и увеличению температуры дуги. Уменьшение радиуса капель с ростом плотности тока было подмечено и при сварке в защитных газах. Исходя из предположения, что повышение температуры и увеличение контактной поверхности металла с газом должны приводить к большему растворению газов в металле, можно заключить, что условия сварки плавящимся электродом в защитных газах способствуют особенно интенсивному растворению газов в переплавляемом дугой жидком металле.
Интенсивность выделения газа из металла, а следовательно, и вероятность образования пор в сварных швах возрастают с увеличением скорости охлаждения металла.
Дуговая сварка плавящимся электродом в защитных газах отличается от всех существующих способов сварки плавлением (кислородно-ацетиленовой, под флюсом, электрошлаковой, качественными электродами) наиболее высокими скоростями охлаждения металла шва. Кроме того, этот метод сварки характеризуется глубоким проплавлением основного металла (низким коэффициентом формы шва), затрудняющим выделение газов из сварочной ванны.
Таким образом условия дуговой сварки в защитных газах способствуют интенсивному растворению активных газов в переплавляемом дугой жидком металле и затрудняют их выделение из металла. Поэтому при сварке плавящимся электродом в атмосфере защитных газов основной и наиболее сложной задачей является получение плотного металла шва.
Последнее объясняет то обстоятельство, что дуговая сварка плавящимся электродом в атмосфере активных газов до последнего времени не была освоена.
Исходя из сказанного, все газоэлектрические способы сварки целесообразно классифицировать по возможности и интенсивности взаимодействия газов с металлом, отражающим степень трудности получения плотного металла шва.
Принципиальная схема такой классификации приведена на фиг. 6.
Возможность получения плотных швов на углеродистых сталях и высоколегированных сплавах на железной основе различна. Опасность появления пор в швах минимальна при сварке высоколегированных аустенитных сталей и сплавов, вследствие большего содержания в них элементов-раскислителей и меньшего скачка растворимости водорода и азота при переходе металла из жидкого состояния в твердое (рисунок ниже).
Задача получения плотных швов представляет наибольшие трудности при сварке малоуглеродистых сталей. Низколегированные стали, как правило, занимают в этом отношении промежуточное положение. Но в целом основные марки стали показывают хорошие результаты.
Возможности использования различных газов в качестве защитной амтмосферы при дуговой сварке плавящимся электродом
В последнее время, в связи с быстрым развитием в России и за границей сварки в инертных газах и в углекислом газе, многие сварщики интересуются возможностью использования тех или иных газов для сварки различных металлов и сплавов. При этом из-за отсутствия специальной литературы по этому вопросу иногда проводятся работы, повторяющие ранее проведенные исследования.
Возможность использования того или иного газа в качестве защитной атмосферы при дуговой сварке плавящимся электродом зависит от многих факторов (свойств газа, основного и электродного металла, режимов сварки, совершенства оборудования, требований к сварному соединению и др.). Решающими из этих факторов являются физико-химические свойства основного и электродного металла и газа. Получение качественных сварных соединений при сварке данного металла в защитных газах достигается путем соответствующего подбора состава защитной атмосферы и электродного материала.
Инертные газы в чистом виде или с небольшими добавками других газов, вероятно можно использовать при дуговой сварке всех применяющихся в технике металлов и сплавов.
Активные газы и их смеси целесообразно использовать только для сварки некоторых металлов и сплавов.
Возможность применения активных газов для сварки цветных металлов и сплавов в настоящее время очень мало изучена.
До недавнего времени многие сварщики считали кислород главным нежелательным элементом в атмосфере дуги. К азоту относились как к более или менее нейтральному газу, а присутствие водорода считали желательным вследствие его восстановительных свойств.
В настоящее время, на основании многих работ по изучению взаимодействия газов с металлом при различных способах дуговой сварки такое мнение следует считать не совсем верным. Принципиально наличие кислорода, водорода и азота в металле швов, выполненных любым способом сварки, является нежелательным. Однако эти газы практически всегда присутствуют в дуговой атмосфере при всех наиболее распространенных способах сварки металлов плавлением.
Способы сварки (под бескислородным флюсом, в инертных газах), в которых дуговая атмосфера состоит из таких газов, как фтор, хлор, инертных газов и паров различных элементов, пока находят сравнительно ограниченное применение.
При сварке углеродистой стали в защитных газах плавящимся электродом на больших плотностях тока наличие в зоне сварки кислорода и других окислительных газов (например, углекислого газа) в большинстве случаев менее опасно, чем наличие водорода и азота.
Ниже рассмотрены металлургические особенности некоторых газов и их смесей, большинство которых было опробовано различными исследователями при сварке плавящимся электродом. Результаты опробования относятся к сварке электродами диаметром от 1,0 до 2,4 мм на токах от 100 до 600 а.
Инертные газы: аргон и гелий. Сварка в чистых инертных газах представляет собой по существу простую переплавку основного и электродного металла. Химический состав переплавляемого металла в этом случае изменяется практически только за счет некоторого испарения элементов.
Чистые инертные газы обычно используются только при сварке цветных металлов (Al, Mg, Ti) и сплавов, имеющих большое химическое сродство к кислороду. При сварке сталей перлитного класса плавящимся электродом к инертным газам, как правило, добавляют от 1 до 5% кислорода.
Одним из обязательных условий получения плотных швов при сварке сталей в инертных газах является наличие в сварочной ванне определенного количества раскислителей, способных подавить реакцию выгорания углерода. Это обстоятельство особенно необходимо учитывать при выборе электродной проволоки для сварки нераскисленных («кипящих») и полураскисленных сталей.
Замечено, что при сварке малоуглеродистых сталей на больших силах тока в атмосфере чистого аргона в раскисленном металле шеов образуются мелкие поры. Количество таких пор уменьшается при небольших добавках кислорода к аргону. Возможно, что одной из вероятных причин образования таких пор служит увеличение произведения [С] • [О] вследствие некоторого возрастания концентрации растворенного кислорода за счет восстановления кремния и марганца из неметаллических включений.
Водород вызывает при сварке аустенитной стали марки 1Х18Н9Т большую пористость металла шва, а при сварке малоуглеродистой стали бесчисленное количество пор. При сварке малоуглеродистой стали наружные поры в металле шва появляются при содержании в защитной атмосфере (смеси аргона с водородом) свыше 10% водорода.
Сварка плавящимся электродом в атмосфере водорода характеризуется низкой устойчивостью дуги и плохим формированием шва.
Азот вызывает образование пор в швах, выполненных на аустенитной стали 1Х18Н9Т. Применение защитной атмосферы (смеси аргона с азотом), содержащей около 15% азота, сопровождается образованием пор в швах, выполненных на малоуглеродистой стали и обеспечивает получение плотных швов на аустенитной стали 1Х18Н9Т. По некоторым данным поры в швах, выполненных на малоуглеродистой стали, начинают появляться при содержании в защитной атмосфере свыше 10-20% азота. По более поздним данным примесь азота в аргоне при сварке малоуглеродистой стали плавящимся электродом не должна быть более 0,5%.
По мнению многих исследователей способность азота вызывать поры в швах значительно возрастает при добавках к нему кислорода.
По отношению к некоторым цветным металлам (медь, никель и др.) азот является инертным газом. Углеводороды (CmHn) в зоне сварки в той или иной степени диссоциируют с образованием водорода и твердого (сажистого) углерода
СтНп =m.С + n/2·Н2. (6)
Растворение образовавшихся в результате диссоциации углерода и водорода в жидком металле может вызвать науглероживание металла шва и образование в нем пор. Из углеводородов в качестве защитной атмосферы при сварке малоуглеродистой стали исследовались метанол и смесь пропана с бутаном. При сварке нержавеющей стали 1Х18Н9Т исследовался ацетилен. Во всех случаях металл шва был поражен большим количеством пор. Применение ацетилена для сварки стали 1Х18Н9Т вызвало повышение содержания углерода в металле шва до 2,39% (при содержании его в основном и электродном металле, равном 0,11%).
Фтор присутствует в атмосфере дуги при сварке качественными электродами основного типа (УОНИ-13) и сварке под флюсом. Фтор понижает устойчивость дугового разряда, но эффективно предупреждает образование пор в швах, вызванных водородом за счет образования в атмосфере дуги прочного химического соединения - фтористого водорода
H + F = HF. (7)
Примерно подобными свойствами обладает и хлор. Фтор и хлор могли бы использоваться в качестве защитных газов при сварке металлов, имеющих высокое сродство к водороду, кислороду и азоту. Препятствием для использования этих газов является их большая токсичность.
Кислород, находящийся в зоне сварки, вызывает окисление переплавляемого дугой электродного и основного металла (потерю элементов при их переходе из основного металла и электродной проволоки в металл шва). Возможность применения чистого кислорода в качестве защитной атмосферы при сварке несомненно исключается.
Однако в последнее время доказано, что иногда присутствие в защитной атмосфере определенных количеств кислорода или других окислительных газов является желательным.
Экспериментально доказана возможность получения плотных швов при сварке малоуглеродистой стали в защитной атмосфере, содержащей до 34% (и, вероятно, больше) кислорода.
Кислород, являясь поверхностно-активным элементом, уменьшает поверхностное натяжение жидкого металла. Последнее способствует образованию на конце электрода более мелких капель и их более равномерному (струйному) переносу в сварочную ванну. Кроме того, наличие на поверхности металла пленки окислов увеличивает электронную эмиссию. Вероятными причинами уменьшения пористости швов при добавках кислорода или углекислого газа к инертным газам могут быть связывание случайно попадающего в зону сварки водорода в нерастворимые в металле соединения и некоторое снижение концентрации углерода в металле шва за счет его преимущественного (большего по сравнению с другими элементами-раскислителями) выгорания в дуге, и высокотемпературных областях сварочной ванны. Экспериментально доказано, что подводную автоматическую сварку целесообразно выполнять в сильно окислительной защитной атмосфере.
Окись углерода (СО) является прочным химическим соединением и обладает в условиях сварки стали восстановительными свойствами по отношению к окислам железа и большинству легирующих компонентов. По существу при сварке угольным электродом в углекислом газе окись углерода является основным компонентом защитной атмосферы. Использование окиси углерода в качестве защитной атмосферы могло бы заменить инертные газы даже при сварке металлов и сплавов, обладающих большим сродством к кислороду.
Основным фактором, затрудняющим использование этого газа в качестве защитной атмосферы при сварке, является его высокая токсичность.
Углекислый газ (СО2) может окислять железо и большинство легирующих компонентов стали. Окисление металла углекислым газом может протекать двумя путями: окисление металла непосредственно углекислым газом и окисление металла кислородом, образующимся в результате термической диссоциации углекислоты: СО2 + Me = СО + МеО; (8)
СО2=С0 + 1/2О2;
1/2О2 + Ме=МеО. (9)
В условиях дуговой сварки плавящимся электродом, вероятно, преобладает второй путь окисления металла углекислым газом. Окислительная способность углекислого газа увеличивается с повышением температуры.
Сварка сталей в углекислом газе характеризуется значительным угаром легко окисляющихся легирующих элементов. Поры в швах, выполненных в атмосфере этого газа, могут образоваться зг счет реакции выгорания углерода. Применение углекислого газа при сварке малоуглеродистых сталей сопровождается образованием пор в сварных швах при использовании электродных проволок, содержащих недостаточное количество элементов раскислителей и получением плотных швов при использовании проволок с высоким содержанием элементов-раскислителей.
Экспериментально доказано, что при достаточно высоком содержании элементов-раскислителей в металле сварочной ванны, добавки углекислого газа в атмосферу дуги при сварке под флюсом, а также в инертных газах плавящимся (А. В. Петров) и неплавящимся (К.Н. Лемаринье) электродом уменьшают склонность к образованию пор в металле шва.
Смеси углекислого газа с окисью углерода. Сварка в углекислом газе характеризуется относительно большим угаром легко окисляющихся элементов. Необходимая концентрация этих элементов в металле шва принципиально может быть обеспечена двумя путями:
1) уменьшением окислительной способности углекислого газа за счет добавки к нему восстановительных газов или веществ (окиси углерода, распыленного углерода, водорода, углеводородов и др.);
2) применением электродных проволок с повышенным содержанием элементов-раскислителей.
Для решения задачи первым путем представляют интерес такие газы, введение которых в зону сварки не будет увеличивать склонности к образованию пор в металле шва. Одним из таких газов является практически нерастворяющаяся в металле окись углерода. Экспериментально была опробована окислительная способность некоторых смесей углекислого газа с окисью углерода при сварке стали 1Х18Н9Т.
Результаты опытов показали, что при содержании в защитной атмосфере свыше 20% окиси углерода можно значительно уменьшить угар даже таких легкоокисляющихся элементов, как титан. Однако практическое использование таких защитных атмосфер затрудняется их высокой токсичностью.
Смеси углекислого газа с ацетиленом. Сварка в смесях углекислого газа с углеводородами (СmНn) может сопровождаться не только снижением угара легирующих элементов, но и сопряжена с возможностью образования в швах пор, вызванных водородом, а также науглероживания металла швов. С точки зрения получения плотных швов из всех углеводородов наибольший интерес представляет ацетилен, имеющий минимальное отношение атомов водорода к атомам углерода.
Исследование реакций, могущих протекать между углекислым газом и ацетиленом при температурах свыше 1500°С, показывает, что состав защитной атмосферы будет изменяться в зависимости от соотношения исходных газов. При содержании в исходной смеси менее 25% ацетилена газовая фаза будет содержать избыток углекислого газа и парциальное давление водорода (а следовательно, и возможность появления пор в металле шва) будет несколько уменьшена. Увеличение концентрации ацетилена свыше 33,3% вызовет пропорциональное увеличение парциального давления свободного водорода и появление в защитной атмосфере сажистого углерода.
Влияние защитной атмосферы из смесей углекислого газа и ацетилена на состав и плотность металла шва экспериментально проверялось при сварке стали 1Х18Н9Т и малоуглеродистой стали МСт. Результаты опытов показали, что добавки к углекислому газу ацетилена заметно снижают угар легирующих элементов, однако вызывают появление пор при его содержании в защитной атмосфере свыше 25% в швах, выполненных на аустенитной стали, и свыше 5-10% в швах, выполненных на малоуглеродистой стали.
Московский отопительный газ является смесью горючих газов. Его состав в разных районах города и в различное время изменяется в больших пределах. Возможность использования этого газа в качестве защитной атмосферы определялась при сварке стали 1Х18Н9Т. В процессе опытов газ имел следующий состав: водорода 33%, метана (СН4)-52%, остальных газов - 15%. Процесс сварки в атмосфере такого газа отличается большой неустойчивостью дуги и сильным разбрызгиванием. Металл швов, выполненных в этом газе, поражен большим количеством крупных пор, очевидно, вызванных водородом.
Воздух состоит из 78% азота, 21% кислорода и 1% других газов (по объему). Сварка плавящимся электродом на больших плотностях тока в атмосфере воздуха малоуглеродистой стали и высоколегированной стали 1Х18Н9Т сопровождается образованием большого количества пор в металле швов.
А. В. Петровым было установлено, что при сварке стали 30ХГСА добавка к аргону 5% воздуха (так же как и 5% азота) вызывает большую «елочную» (поры вытянутой формы, располагающиеся по границам кристаллов; рентгенограмма шва, имеющего такие поры, напоминает елку) пористость металла шва. Основной причиной появления пор в металле швов в этих случаях следует считать азот, так как присутствие в зоне сварки 21% кислорода (при наличии в металле шва достаточного количества раскислителей) не вызывает образования пор в швах как при сварке под флюсом, так и при сварке в защитных газах.
Следует отметить, что механизм влияния кислорода на способность азота вызывать поры в швах до настоящего времени остается неясным. Имеющиеся по этому вопросу экспериментальные данные и мнения исследователей противоречивы. Некоторые исследователи считают, что сварка в воздухе сопровождается большим количеством пор в металле швов по сравнению со сваркой в чистом азоте.
Обобщенные данные по влиянию опробованных защитных газов на плотность металла швов приведены в табл. ниже.
Плотность швов, выполненных плавящимся электродом в различных защитных газах:
На основании имеющихся в настоящее время знаний можно считать целесообразным следующее применение защитных газов при сварке плавящимся электродом:
Инертные газы (аргон, гелий и их смеси) для сварки металлов (Al, Mg, Ti) и сплавов, склонных при нагреве к энергичному взаимодействию с кислородом, азотом и водородом.
Инертные газы с добавками кислорода или углекислого газа для сварки легированных сталей и сплавов.
Азот - для сварки металлов и сплавов, не взаимодействующих с этим газом (Сu, Ni).
Углекислый газ - для сварки углеродистых и легированных сталей, а также других металлов и сплавов, не имеющих большого химического сродства к кислороду.
Также могут быть полезны: металлический калькулятор - для расчета массы металлопроката по длине. | 
НОВЫЕ ОБЪЯВЛЕНИЯ
НОВОСТИ
НОВЫЕ СТАТЬИ