 |
Реклама. ООО ГК "Велунд Сталь Сибирь" ИНН 5405075282 Erid: 2SDnjf1Guop
| |
При сварке качественными электродами и автоматической сварке под флюсом в реакционной зоне находятся во взаимодействии три фазы: газовая, шлаковая и металлическая. При этих методах сварки необходимый состав металла шва может обеспечиваться за счет поступления легирующих элементов как из электродной проволоки, так и из шлака (флюса) или обмазки.
При сварке сталей плавящимся электродом в защитных газах получение металла шва, обладающего необходимым химическим составом и свойствами, обеспечивается только за счет применения электродных проволок соответствующего состава. Выбор электродных проволок, предназначенных для сварки различных сталей в углекислом газе, может быть произведен на основании изучения потерь легирующих элементов в процессе сварки и влияния на эти потери основных условий и параметров режима. При этом способе сварки решающим фактором является взаимодействие газа с металлом, так как в начале процесса шлаковая фаза отсутствует, а количество и состав появившегося в процессе сварки шлака целиком определяются реакциями между газом и металлом.
При выполнении швов на сталях перлитного класса количество образующегося шлака невелико и, как правило, он покрывает лишь незначительную часть поверхности сварочной ванны и шва. Это позволяет с небольшой погрешностью проводить изучение некоторых металлургических особенностей сварки в углекислом газе без учета влияния на процесс образующегося при сварке шлака.
Потери элементов при дуговых методах сварки складываются из их окисления и испарения.
При сварке под флюсом содержание элементов в металле шва и коэффициенты их усвоения подсчитываются по известным формулам:
где μ- коэффициент усвоения соответствующего элемента;
Сщ - концентрация элемента в металле шва в %;
Сu - исходная концентрация элемента в %; т, п - соответственно доли участия электродного и основного металлов в металле шва (коэффициенты смешения);
Сn, Со-концентрации элемента в электродной проволоке и основном металле в %.
Формула (24) выведена из предположения, что потери элементов, поступающих в реакционную зону сварки как из основного металла, так и из электродной проволоки, одинаковы. В дальнейшем изложении коэффициент м, подсчитанный по формуле (24), назван общим (средним) коэффициентом усвоения.
В действительности же потери элементов, поступающих в зону сварки из основного металла и электродной проволоки, не одинаковы.
В. И. Дятлов указывал, что при сварке под флюсом результаты взаимодействия газовой, металлической и шлаковой фаз в основном определяются реакциями, протекающими между газом и металлом в зоне дуги. Известно также, что углерод, поступающий в сварочную ванну из основного металла, окисляется в меньшей степени, чем углерод, находящийся в каплях электродного металла.
Раздельная количественная оценка потерь основных легирующих элементов, поступающих в металл шва из основного металла и электродной проволоки, была впервые сделана при сварке в защитных окислительных газах - углекислом газе и смесях аргона с кислородом.
В этой работе потери элементов, а следовательно, и окислительная способность защитной атмосферы оценивались двумя методами: а) по коэффициентам усвоения легирующих элементов (относительные потери) и б) по количеству кислорода, прореагировавшего с этими элементами («абсолютные» потери).
При сварке в атмосфере защитных газов процесс потери элементов можно представить проходящим две последовательные стадии: 1) потери элементов из электродного металла при его переходе через дугу и 2) потери элементов из металла сварочной ванны. При этом интенсивность перемешивания основного и электродного металлов и практически одинаковый химический состав металла по сечению шва позволяют предполагать, что основной и электродный металлы проходят в сварочной ванне одинаковую металлургическую обработку.
Следовательно, элементы, поступающие в шов из электродной проволоки, теряются и в дуге, и в сварочной ванне, а элементы, поступающие в шов из основного металла, теряются только в сварочной ванне.
Таким образом, при прочих равных условиях потери элементов из электродной проволоки всегда больше, чем потери элементов из основного металла. Отображая эти потери через коэффициенты усвоения элементов, можно записать:
μn = μд·μв; (25)
μо = μв,
где μn, μо - коэффициенты усвоения элементов из электродной проволоки и основного металла;
μд, μв- коэффициенты усвоения элементов в дуге и сварочной ванне.
На основании принятой схемы процесса зависимость концентрации элементов в металле шва от их содержания в основное металле и электродной проволоке можно выразить формулами:
Сш = μв (μо·mCn + nС0); (27)
Сш =μпm·Сп + μоnС0. (27а)
Приравнивая правые части уравнений (24) и (27), можно установить зависимость между общими (средними) коэффициентами усвоения элементов и коэффициенты их усвоения в дуге и сварочной ванне
Впоследствии эта методика была использована С. Е. Синадским для оценки угара элементов при сварке трехфазной дугой под флюсом.
Экспериментально были сопоставлены оощие коэффициенты усвоения элементов при сварке в углекислом газе стали 30ХГСА малоуглеродистой проволокой св. 08А и сварке малоуглеродистой кипящей стали Ст3кп проволокой Св-18ХГСА). Такая комбинация основного и электродного металла позволяла при близких исходных концентрациях реагирующих и испаряющихся элементов вводить их в реакционную зону в одном случае преимущественно через основной металл, а в другом случае через электродную проволоку, кроме углерода при сварке кипящей стали Ст3кп.
Опыты по изучению потерь легирующих элементов при сварке в атмосфере окислительных газов заключались в сварке пластин толщиной 10-14 мм с канавками, имитирующими разделку шва и наплавке электродного металла на медную пластину. Сварка и наплавка производились на автомате электродом диаметром 2 мм на токе 260-270 а. Скорость сварки 12,6 м/час, а скорость наплавки 20 м/час.
При изучении потерь не учитывались элементы (S, Р, Ni), потери которых в процессе сварки не превышали допусков на точность химического анализа.
Доли участия электродного и основного металла (т и п) в металле шва определялись путем измерений геометрии разделки и планиметрирования поперечных сечений швов. Результаты опытов (таблица ниже) показали, что действительно потери элементов из электродной проволоки больше потерь тех же элементов из основного металла.
Усвоение элементов металлом шва из основного металла и электродной проволоки:
В этой же работе при различном сочетании основного и электродного металлов величины мп и м0 находились путем экспериментального определения общих коэффициентов усвоения элементов (по химическому составу швов), коэффициентов усвоения элементов в дуге (по химическому составу наплавок) и расчетного определения коэффициентов усвоения элементов в сварочной ванне.
Значения μв подсчитывались по преобразованной формуле (27):
Для определения μд электродный металл наплавлялся на медную пластину, интенсивно охлаждаемую водой. При этом способе наплавки капли электродного металла не приваривались к разделке пластины, а размеры сварочной ванны и время ее существования сводились к минимуму.
Принятый способ определения μд не учитывает влияния состава основного металла на угар элементов в дуге. Кроме того, величины μд, определенные таким путем, частично включают в себя потерю элементов в сварочной ванне и вследствие этого, вероятно, являются несколько заниженными. Однако в первом приближении такую погрешность можно считать допустимой, если учесть, что при наплавке электродного металла на медную пластину максимальное время существования сварочной ванночки составляло всего 0,9 сек., вместо 9,1 сек. при обычном процессе сварки на этом режиме.
Количество кислорода, прореагировавшего в зоне сварки, подсчитывалось по данным потерь основных окисляющихся элементов (С, Si, Mn, Cr, Ti). Этот кислород, отнесенный к 100 г переплавленного металла, подсчитывался для дуги и общего процесса сварки по разности между исходными и фактическими концентрациями элементов в наплавках и швах. При этом предполагалось, что продуктами окислительных реакций являются соединения: СО, SiО2, МnО, Сr2О3 и TiО2. При таком методе подсчета связанного кислорода не учитывается кислород, затраченный на окисление железа, но результаты подсчета включают в себя потерю элементов за счет их испарения. При решении задачи в первом приближении такую погрешность можно допустить, если учесть, что оба указанных фактора влияют на результаты подсчета в противоположных направлениях.
Потери элементов при сварке в углекислом газе. Потери элементов при сварке в атмосфере углекислого газа определялись при использовании в качестве основного металла малоуглеродистой стали Ст3сп, низколегированной стали 30ХГСА и высоколегированной стали 1Х18Н9Т. Для сварки этих металлов применялись электродные проволоки 1Х18Н9Т, Св-18ХГСА и Св-10ГС. Результаты опытов по определению коэффициентов усвоения элементов из этих проволок приведены в таблице ниже.
Результаты опытов по определению величин μд:
Химический состав металла швов, выполненных при таких сочетаниях основного и электродного металлов, а также значения общих коэффициентов усвоения элементов приведены в таблице ниже.
Результаты опытов по определению величин μ:
Сводные данные по коэффициентам усвоения элементов и количеству прореагировавшего кислорода приведены в таблице ниже:
Анализируя приведенные выше экспериментальные и расчетные данные по сварке сталей в атмосфере углекислого газа можно сделать следующие выводы:
1. Потери элементов в дуге больше потерь элементов в сварочной ванне (несколько больший коэффициент усвоения кремния в дуге по сравнению с его усвоением в сварочной ванне при сварке стали 1Х18Н9Т может объясняться некоторым защитным действием титана, вследствие более высокого содержания этого элемента в электродной проволоке по сравнению с его исходным содержанием в сварочной ванне).
2. Потери всех элементов, поступающих в зону сварки из электродной проволоки, выше потерь тех же элементов, поступающих из основного металла.
3. Количество кислорода, прореагировавшее с легирующими элементами при сварке стали 1Х18Н9Т, значительно выше, чем при сварке сталей 30ХГСА и Ст3, что, вероятно, объясняется большей степенью легирования первой стали элементами, имеющими большое сродство к кислороду.
4. При сварке сталей 30ХГСА и МСт. 3 коэффициенты усвоения элементов повышаются с увеличением степени легирования основного и электродного металлов (особенно таким элементом, как кремний). Последнее обстоятельство, по-видимому, может быть связано с уменьшением активности кислорода с ростом концентраций элементов, а также со снижением окислительной способности защитной атмосферы вследствие появления в ней паров марганца и летучей окиси кремния, имеющей свойства восстановителя.
5. При сварке сталей 30ХГСА и Ст3сп и Ст3кп (стали перлитного класса) проволоками Св-18ХГСА и Св-10ГС количество кислорода, прореагировавшего с легирующими элементами, остается постоянным или немного понижается с увеличением степени легирования основного и электродного металла. Иначе, при сварке перлитных сталей на одинаковых режимах окислительная способность углекислого газа (количество кислорода, израсходованное на окисление легирующих элементов) слабо зависит от степени легирования основного и электродного металла (подробнее о различных марках стали можно прочитать здесь - марки стали, конструкционные стали, нержавеющие стали).
Потери элементов при сварке в смесях аргона с кислородом. Потери элементов при сварке в смесях аргона с кислородом исследовались для сравнения окислительной способности углекислого газа и смесей Аr + О2.
Основным металлом служила спокойная сталь Ст3сп, а электродом - проволока Св-18ХГСА. Сварка швов и наплавка электродного металла на медную пластину в смесях аргона с кислородом производились на тех же режимах, что и в углекислом газе.
Химический состав металла швов и наплавок, выполненных в смесях аргона с кислородом, приведен в таблице ниже. В этой же таблице для сравнения приведены показатели, относящиеся к сварке тех же материалов в атмосфере углекислого газа.
Графические зависимости коэффициентов усвоения и общих количеств кислорода, прореагировавших с легирующими элементами в дуге, сварочной ванне и общем процессе от состава защитной атмосферы, представлены на рисунках ниже.
На основании полученных экспериментальных и расчетных данных можно сделать следующие основные выводы:
1. При сварке в смесях аргона с кислородом, так же как и при сварке в углекислом газе, потери элементов в дуге и из электродной проволоки соответственно больше потерь тех же элементов в сварочной ванне и из основного металла.
2. При сварке в смесях аргона с кислородом из всех рассматриваемых элементов (С, Si, Мп, Сг) углерод наиболее интенсивно выгорает в дуге и наименее интенсивно в сварочной ванне. Потери углерода, кремния и хрома в дуге и сварочной ванне согласуются с рассчитанной упругостью диссоциации их окислов при предполагаемых температурах металла электродных капель и сварочной ванны.
3. Большие потери марганца в дуге и сварочной ванне и значительное увеличение этих потерь с ростом концентрации кислорода в газовой фазе (при постоянной мощности дуги) не могут быть объяснены только химическим сродством этого элемента к кислороду или только его испарением. Действительно, при сварке в окислительной атмосфере можно представить два пути потерь марганца из жидкого металла:
а) окисление марганца в жидком металле;
б) испарение марганца и последующее окисление его паров в газовой фазе.
Окисление паров марганца должно снижать их парциальное давление в газовой фазе и, таким образом, активизировать испарение, а следовательно, и окисление этого элемента. Результаты проведенных опытов свидетельствуют о том, что в условиях дуговой сварки второй путь окисления марганца, по-видимому, имеет преобладающее значение.
4. Окислительная способность углекислого газа, подсчитанная по общему количеству кислорода, прореагировавшего с легирующими элементами, эквивалентна окислительной способности смесей аргона с кислородом при содержании в последних кислорода: «в дуге»-22,4%; в сварочной ванне - 7,2%; в общем процессе - 15,4%.
5. Интенсивность окисления отдельных легирующих элементов углекислым газом значительно отличается от интенсивности их окисления эквивалентным количеством кислорода (для общего процесса 15,4% кислорода). Так, например, для исследованного варианта сварки окисление элементов углекислым газом эквивалентно (по общим коэффициентам усвоения) их окислению защитным газом, содержащим следующее количество кислорода: по углероду - 28,5%; по кремнию - 18,0 %: по марганцу - 5% и по хрому - 20,5%.
6. Как и следовало ожидать углекислый газ по сравнению с кислородом более интенсивно окисляет металл в дуге и менее интенсивно в сварочной ванне.
 
При исследованном варианте сварки в углекислом газе количество кислорода, прореагировавшего с металлом в дуге, примерно в 10 раз больше количества кислорода, прореагировавшего с металлом в сварочной ванне, а при сварке в различных смесях аргона с кислородом количество кислорода, прореагировавшего в дуге, в среднем только в 4,2 раза превышает количество кислорода, прореагировавшего в сварочной ванне.
О некоторой особенности реакций, протекающих между газом и металлом. При дуговой сварке в окислительной защитной атмосфере полноту реакций, протекающих между металлом и газом, можно оценить по количеству поданного и прореагировавшего кислорода. С этой целью на основе опытных данных по сварке в различных смесях аргона с кислородом (табл. выше) были подсчитаны количества поданного в зону сварки и прореагировавшего в ней кислорода, отнесенные к 100 г переплавляемого дугой металла. Результаты таких подсчетов, приведенные на последнихрисунках, показывают, что при содержании в защитной атмосфере свыше 7% кислорода реакции окисления металла в дуге, сварочной ванне и в общем процессе заканчиваются при практически постоянных отношениях количеств общего и прореагировавшего кислорода, т. е.
| 
НОВЫЕ ОБЪЯВЛЕНИЯ
НОВОСТИ
НОВЫЕ СТАТЬИ