Влияние раскислителей сварочной проволоки на протекание сварочных процессов при механизированной сварке в среде защитных газов

На сегодняшний день в промышленности широко распространена сварка металлов в среде защитных газов. Базовым, или другими словами основным компонентом механизированной сварки является сварочная проволока, главным образом от ее марки, химического состава, типа поверхности, зависит не только плавность и стабильность протекания сварочных процессов, но и область применения, и соответственно характеристики и хим.состав самого сварного шва.

Химический состав и механические свойства наплавленного металла, получаемые с применением сварочной проволоки должен соответствовать свойствам и характеристикам свариваемого металла. Каждая марка, в зависимости от состава, типа, структуры, и покрытия проволоки имеет свои области применения.

В состав сварочной проволоки, в том числе включены раскислители, такие как: алюминий, кремний, титан, цирконий, марганец и др., отвечающие за вывод из сварочной ванны примесей кислорода. Главный ориентир при выборе таких элементов - условия протекания сварочных процессов, в зависимости от которых проволока, будет обеспечивать заложенные в нее качественные показатели:

1. Существенное снижение и исключение риска образования внешних и внутренних пор в шве, возникающих вследствие протекающих химических реакций с участием окиси углерода;

2. Обеспечение условия для плавного и устойчивого эл.дуги;

3. Снижение уровня потери металла на разбрызгивание;

4. Снижения трудоемкости удаления с поверхности шва продуктов окисления металла, в следствие уменьшения их сцепления с поверхностью;

5. Улучшение плавности и стабильности протекания процессов капельного и струйного переноса электродного металла в сварочную ванну.

Использование универсальной сварочной проволоки позволило бы получать высококачественные однослойные и многослойные сварные шва, в большом диапазоне областей применения, с использованием широкого спектра сварочного оборудования, но создание такой проволоки практически невозможно, т.к. основной (свариваемый) металл, сам по себе содержит определенный диапазон элементов-раскислителей.

Например, низкоуглеродистая сталь по степени раскисления различается на три вида:

- Кипящая представляет собой низкоуглеродистую сталь, слабой степени раскисления, так как в процессе разливки интенсивно выделяет оксид углерода, двуокись углерода, азот и пр. газы в момент охлаждения и кристаллизации. За счет неравномерного распределения химических элементов в металле, обладает худшей свариваемостью, и более низкими механическими свойствами по отношению к другим сталям.

- Полуспокойная сталь, имеет большую степень раскисления, по отношению к кипящей, что приводит при таком же большом выделении газов в мент кристаллизации, к меньшему кипению, следовательно к более равномерному распределению химических элементов в металле, а значит к более высоким показателям по свариваемости по отношению к кипящей стали, и более высоким показателям механических свойств.

- Спокойная сталь, самую большую их трех степень раскисления, а следовательно низкое количество растворённого в металле кислорода. Ее показатели свариваемости и механических свойств также самые высокие из трех. Сталь обладает однородной структурой и хорошей сопротивляемостью ударным нагрузкам.

Подытоживая вышеописанное, очевидна невозможность получения универсальной сварочной проволоки, в связи с чем в промышленности, как в нашей, так и в мировой, получило распространение применения проволоки ограниченного применения, создаваемой для применения со сталями с определенной степенью раскисления, и следовательно с определенными заложенными в нее раскислителями.

Проволока применимая к определенным расчисленным сталям, имеет в своем составе раскислители взаимодействующие с раскислителями основного металла, с нивелирования или усиления тех или иных с создания условий для плавности протекания сварочных процессов и снижения на них негативного влияния химических элементов, участвующих в процессах кристаллизации металла, и получения качественного сварного соединения. К основным раскислителям, входящим в состав сварочной проволоки относят:

Углерод: его повышение приводит к кипению металла при протекании процессов при высоких температурах, и соответственно снижает влияния водорода и азота на вероятность порообразования внутри шва. При этом содержание углерода должно находиться в диапазоне 0,6-0,12%, так как при увеличении его процентного содержания свыше 0,12-0,14%. резко увеличивается риск образования горячих трещин.

Марганец: при своей довольно низкой раскислительной способности, значительно усиливает эту способность у других химических элементов (например таких как кремний и алюминий), при взаимодействии с ними. При этом для таких процессов, необходимо определенное процентное содержание взаимодействующих с марганцем элементов. Например при сварке в углекислоте низколегированных сталей, соотношение элементов:

0,05-0,12% Углерод, 0,6-1% Кремний, 1,4-2,4% Марганец.

Кремний: для снижения риска образования пор под воздействием окиси углерода содержание кремния в составе сварного шва должно составлять не менее 0,2%, однако при повышении его содержания свыше 0,45%, также увеличивается вероятность образования горячих трещин.

Алюминий: довольно сильный раскислитель, при наличии в расплаве полностью связывает растворенный кислород и препятствует возникновению пор, снижает воздействие на протекающие процессы азота и двуокиси углерода, улучшает показатель механических свойств сварного шва, но дальнейшее увеличение его содержания снижает пластические свойства стали, уменьшает ударную вязкость и ведёт к образованию горячих трещин.

Титан: сводит к минимуму вероятность возникновения пор, обеспечивает условия для плавного, стабильного и устойчивого горения эл.дуги, также способствует удалению продуктов раскисления из сплава и снижает показатель потери металла на разбрызгивание, повышает механические свойства сварочного шва.

Цирконий: при низких температурах повышает ударную вязкость металла шва препятствует образованию пор, при сварке в углекислом газе, проволока с цирконием увеличивает производительность наплавки и снижает риск возникновения прожогов, при сварке сталей малой толщины.

Кальций: из-за низкой температуры кипения и сложности растворения в железе добавление кальция в стальной сплав в строго определенном объеме, довольно сложно выполнимо. Увеличение его объемов в жидком металле грозит образованием в шве неметаллических включений, но тем не менее в нужном объеме способен улучшать показатель ударной вязкости сварного и изменять его микроструктуру.

 

 

​Особенности процессов раскисления и окисления металла при механизированной сварке в среде защитных газов

Во время процессов сварки раскисление металла в сварочной ванне вероятно может протекать водном из двух направлений: осаждающее или диффузионное раскисление.

При химическом (осаждающем) раскислении продукты раскисления не растворяются в расплавленном металле, а выпадая в осадок растворяются в шлаке.

В связи с этим раскислители должны быть элементно ближе к кислороду больше, чем раскисляемый ими элемент, окислы раскислителя должен быть более конденсированными, а температура плавления окислов и их удельный вес должны быть ниже чем у раскисляемого металла.

Для осаждающего раскисления обычно используют не менее двух раскислителей, так как ни один раскислитель по отдельности не может в полном объеме удалить содержащийся в сварочной ванне кислород, ввиду того, что его реакция всегда идет до равновесного состояния.

Поэтому при наличии двух раскислителей в начале сварочной ванны вступает в реакцию более сильный раскислитель, в конце — менее сильный, в связи с этим при использовании лишь одного раскислителя в оконечнике сварочной ванны ввиду выгорания углерода увеличится риск образования пор в сварном шве.

Раскислители, содержащиеся в сварочной проволоке образуют разные оксиды по своему характеру, так как при взаимодействии между собой, они должны синтезировать комплексные, хорошо растворимые в шлаке соединения, только в этом случае большая часть продуктов раскисления может быть выведена в шлак.

Например для раскисления свариваемых низкоуглеродистых сталей в основном используют кремний и марганец в составе сварочных проволок таких как: Св-08ГА, Св-08Г2С, Св-10ГС и д.р.

Введение марганца и кремния в сварочную ванну в небольших количествах до 1-2% (максимальный показатель в основном для марганца), способствует выводу в шлак вредных примесей, таких как фосфор и сера, улучшают показатели механических свойств шва, и снижают риск образования внутренних пор.

Диффузионное, или же другими словами физическое раскисление, довольно медленный процесс, который базируется на том, что на поверхности раздела фаз шлак-металл, происходит образование комплексных оксидов, переходящих в шлаковую фазу, вывод таких окислов как оксид железа в шлак при этом происходит за счет вступления в реакцию со свободными оксидами, такими как оксид кремния и оксид титана работающих в паре.

При этом важно знать, что оксид кремния увеличивает вязкость шлака, а оксид титана наоборот снижает.

Диффузионное раскисление не играет большой роли в протекании сварочных процессов, оно в основном сопровождает процессы осаждающего раскисления, благодаря чему, большая часть продуктов раскисления удаляется из сварочной ванны.

Вывод: Необходимость применения процессов раскисления сварочного шва с применением раскислителей, входящих в состав сварочной проволоки, объясняется наличием процессов окисления металла во время сварочных процессов, то есть без применения данных компонентов в составе сварочного материала, невозможно получить качественный сварной шов. При этом при их закладке в состав проволоки нужно понимать области ее применения, и условия в которых она будет работать.