зварювальні шлаки

РОЛЬ ШЛАКУ (флюс) ПРИ ЗВАРЮВАННЯ

Містить шлакообразующие речовини зварювальний матеріал називається флюсом. Флюс застосовується при декількох способах зварювання і наплавлення. Він є обов'язковим матеріалом, що забезпечує технологію зварки і наплавлення під флюсом, зварювання по флюсу, зварювання з магнітним флюсом, а також електрошлакового зварювання й наплавлення. Шлак утворюється також при плавленні електродного покриття, сердечника порошкової і активованою дротів, окисленні електродного металу зварювальної ванни, при зварюванні в окислювальному атмосфері і т. П.

Роль шлаку при зварюванні та наплавленні дуже велика. Його складом визначається атмосфера дуги, від якої залежать стабільність її горіння, стійкість проти пороутворення швів, обсяг і співвідношення виділяються при зварюванні шкідливих газів. Від шлаку залежить і стабільність електрошлакового процесу. Взаємодія розплавленого шлаку з металом зварювальної ванни істотно впливає на хімічний склад металу шва, від якого в свою чергу залежать структура, стійкість проти утворення кристалізаційних (гарячих) тріщин і пор металу.

До найважливіших функцій шлаку, що має значення при всіх видах зварювання плавленням, відносяться:

1) забезпечення стійкості процесу зварювання;

2) хороше формування шва;

3) захист зони зварювання від доступу повітря;

4) попередження утворення в швах дефектів;

5) управління хімічним складом металу шва;

6) забезпечення необхідних механічних властивостей металу шва і зварного з'єднання в цілому;

7) забезпечення легкої отделимости шлакової кірки з поверхні металу.

Шлак повинен також володіти хорошими санітарно-гігієнічними властивостями, в процесі зварювання виділення шкідливих речовин повинно бути мінімальним. Крім цих загальних функцій є і функції, специфічні для кожного виду зварювання.

Стійкість процесу зварки в першу чергу залежить від стійкості (стабільності) горіння дуги, т. Е. Постійності в часі основних електричних параметрів дуги - напруги і сили струму. Зварювальний дуга один з видів електричного розряду в газах, а тому стійкість її горіння, при інших рівних умовах, визначається складом атмосфери дуги. При нагріванні теплом дуги шлак виділяє гази і пари, змінюючи цим склад атмосфери дуги. Наявність в шлаку оксидів лужних і лужноземельних металів (на відміну від фторидів і хлоридів) підвищує стійкість горіння дуги і процесу зварювання.

Формування шва залежить, перш за все, від режиму зварювання, т. Е. Від довжини дуги, її рухливості і т. П. Так, під час зварювання під флюсом довжина дуги і її рухливість залежать від розмірів зерен флюсу. При великому флюсі дуга більш рухлива і ширина шва більше, ніж при зварюванні під дрібним флюсом. Відповідно до цього глибина провару більше при зварюванні під дрібним флюсом, ніж під великим.

Зовнішній вигляд шва значною мірою визначається рівномірністю відкладення металу, що залежить від стану зварювальної ванни. «Кипіння» металу зварювальної ванни внаслідок вигоряння вуглецю і виділення розчинених в металі газів може значно погіршити зовнішній вигляд шва. Введення в зварювальну ванну раскислителей «заспокоює» її і сприяє утворенню швів з більш дрібними лусочками на поверхні. Якщо шлак має надмірно високу в'язкість при температурі твердіння металу, шов формується хаотично, відтворюючи форму затверділої шлакової кірки.

При зварюванні під флюсом забезпечується надійний захист зони зварювання від доступу повітря. Однак при інших способах дугового зварювання для такого захисту від зовнішньої атмосфери потрібно, щоб шлак повністю покривав поверхню металу зварювальної ванни. Для цього потрібно, щоб міжфазне натяг на кордоні шлак- метал було мінімальним, а зміна в'язкості шлаку з ростом температури було плавним. Як правило, більш надійний захист металу зварювальної ванни від доступу повітря, а також кращу якість формування поверхні шва дають «довгі» шлаки з поступовим зниженням їх в'язкості при затвердінні. Найгірші результати виходять при «коротких» шлаках, що характеризуються різкою зміною в'язкості при затвердінні. Необхідно також, щоб температура затвердіння шлаку була нижча за температуру затвердіння металу.

До числа найбільш небезпечних дефектів зварних швів відносяться пори і кристалізаційні тріщини. Основними причинами виникнення пір в швах можуть бути забруднення основного металу і зварювального дроту іржею і маслом, вологий флюс і ін. Роль шлаку в попередженні появи пір полягає:

1) в захисті металу зварювальної ванни від доступу повітря;

2) виділення в атмосферу дуги газів і парів, що знижують Концентрацію в ній водню і азоту шляхом розбавлення газової фази;

3) виділення в атмосферу дуги газоподібних сполук фтору, що утворюють з воднем нерозчинний в рідкій сталі фторид водню;

4) окисленні металу зварювальної ванни.

Про роль шлаку в захисті зварювальної ванни від доступу повітря сказано вище.

Інтенсивність випаровування шлаку в процесі зварювання порівняно невелика, тому вона не може дати істотного зниження парціального тиску азоту і водню в зоні зварювання. Більш ефективно діє введення газообразующих речовин до складу електродного покриття, керамічного флюсу або сердечника порошкового дроту.

Для зменшення пористості швів, викликаної воднем, в зону зварювання вводяться фториди. Найкраще зв'язується водень у вигляді фториду водню HF фторидом кремнію SiF4 - газом, що утворюється при зварюванні в результаті взаємодії фториду кальцію CaF2 і діоксиду кремнію SiO2.

Окислення металу зварювальної ванни шлаком або газовою фазою знижує розчинення в ньому водню, зменшуючи цим можливість появи пір в швах.

Для отримання беспорістих (щільних) швів на киплячій і, «полууспокоенной» стали важливе значення мають кремнійвосстановітельний процес і надходження кремнію в метал зварювальної ванни з інших джерел.

Найбільш простий і надійний спосіб зменшення виділення шкідливих газів при дугового зварювання - застосування шлаків, що не містять в своєму складі фторидів. Однак стійкість швів проти утворення пір при цьому не завжди може бути забезпечена.

У зв'язку з принциповими відмінностями процесу електрошлакового зварювання від електродуги, до флюсу для електрошлакового зварювання пред'являються особливі вимоги. Вони обумовлені, з одного боку, необхідністю забезпечити стійкий електрошлаковий процес, а з іншого - наявністю пристроїв для утримання шлакової і металевої ванн. Від флюсу потрібно:

1) забезпечення швидкого початку електрошлакового процесу та підтримання його стійкого проходження, особливо при малій глибині шлаковой ванни і великій швидкості подачі зварювального дроту;

2) задовільний формування поверхні шва;

3) відсутність віджимання повзунів від зварювальних кромок шлаком, витікання останнього в зазори між повзунами і крайками при досягається на практиці точності складання виробів, що зварюються.

Флюс також повинен забезпечувати виконання інших функцій - захищати зону зварювання від доступу повітря, давати добре відділяється від поверхні шва шлак і ін.

З огляду на те що електрошлаковий процес заснований на електричної провідності шлаку, остання істотно впливає на проходження процесу. Стійкість електрошлакового процесу зростає з підвищенням електричної провідності шлаку в рідкому стані. Чим вона менша, тим при більш високій напрузі повинна проводитися електрошлакове зварювання. Слід, однак, мати на увазі, що шлаки з високою електричну провідність при проходженні через них електричного струму виділяють мало тепла і тому для успішного здійснення процесу зварювання потрібні значні електричні потужності. При невеликих силах струму зварювання із застосуванням таких шлаків не дає надійного сплаву кромок.

Для забезпечення сталого проходження електрошлакового процесу важливо, щоб шлак мав високу температуру кипіння і не виділяв багато газів при високих температурах. Деякі шлаки киплять спокійно, без бурхливого виділення газів. Таке кипіння, якщо воно не дуже інтенсивно, не заважає процесу зварювання, а навпаки, служить хорошим регулятором температури ванни, поглинаючи надлишок енергії при підвищенні температури.

Шлаки для електрошлакового зварювання не повинен бути надто тугоплавким або «коротким», в іншому випадку будуть віджиматися повзуни, що призведе при зварюванні швів великої протяжності до витікання шлаку і металу зварювальної ванни і припинення процесу зварювання. Разом з тим, щоб шлак не витікав в зазори між повзунами, він не повинен бути надмірно жидкотекучим. Тому при електрошлакового зварювання потрібно оптимальна в'язкість шлаку, при якій не буде відбуватися ні віджимання повзунів від зварювальних кромок, ні витікання шлаку в зазори. Якщо шов формується без застосування плазунів (зварювання з нерухомою підкладкою), в'язкість шлаку грає другорядну роль і основною вимогою, що пред'являються до фізичних властивостей шлаку, залишається оптимальна електрична провідність.

При електрошлакового зварювання шлаковая ванна надійно захищає розплавлений метал від доступу повітря. Однак залишається можливість надходження газів до металу через шлак.

Метал шва, зварений електрошлаковим способом, більш стійкий проти утворення пір, ніж такий, зварений електродуговим способом, з огляду на специфічні умови кристалізації металевої ванни. Причиною появи пір є наявність на крайках виробів значного шару окалини, а також велика вологість і забрудненість флюсу. Пори можуть також виникнути в результаті відхилення хімічного складу шва від заданого, зокрема через низький вміст в ньому кремнію або інших розкислювачів.

Освіта кристалізаційних тріщин у швах, виконаних електрошлакового зварюванням, наприклад на стали, залежить головним чином від хімічного складу основного металу і форми зварювальної ванни. Остання, в свою чергу, визначається режимом зварювання. Склад і властивості флюсу практично не впливають на утворення дефектів цього типу.

При електрошлакового зварювання подача шлаку в ванну дуже невелика, вона обмежується відкладалися на поверхні шва шлаковой кіркою (товщиною 1-1,5 мм). З урахуванням втрат на розсипання це становить близько 5% маси наплавленого металу, т. Е. В 20 разів менше, ніж при зварці під флюсом. У зв'язку з невеликою витратою при електрошлакового зварювання вуглецевих і низьколегованих сталей шлак мало впливає на хімічний склад металу шва. При наявності в основному металі і зварювального дроту таких хімічно активних елементів, як титан, алюміній і ін. Для попередження їх окислення повинні застосовуватися бескремністие або безкисневі флюси.

Відмінність електрошлакового зварювання від електродуги під флюсом полягає в наявності дзеркала шлакової ванни, з якого в навколишнє атмосферу вільно виділяються пари і гази. Це погіршує гігієнічні умови праці і вимагає влаштування місцевих витяжних відсмоктувачів, незалежно від складу застосовується флюсу.