Нагрев и плавление проволоки. В процессе свар­ки оболочка и сердечник проволоки на вылете под­вергаются нагреву, сопровождающемуся окислением железа и легирующих элементов, диссоциацией ор­ганических материалов, карбонатов, образованием расплавов и т. д. Развитие этих процессов в сердеч­нике существенно влияет на взаимодействие рас­плавленного металла с газами и шлаком и во мно­гом определяет технологические показатели сварки. Завершенность этих процессов к моменту расплав­ления проволоки зависит от условий подвода тепла к отдельным участкам сердечника, обусловленных режимом сварки, диаметром, конструкцией проволо­ки и физико-химическими свойствами смеси порош­ков. Одной из основных реакций в твердой фазе при нагреве сердечника является диссоциация карбона­тов. Добавление окислов, фторидов и металлических порошков к карбонатам приводит к смещению тем­пературного интервала диссоциации карбонатов. Так, добавление порошков железа, алюминия к карбонатам магния и кальция вызывает значитель­ное смещение температурного интервала их диссо­циации в область низких температур. Это вызвано прежде всего улучшением теплопроводности смеси и развитием экзотермических реакций окисления. Наибольший по величине температурный диапазон выделения углекислого газа наблюдается у смесей порошков, содержащих, кроме карбоната магния или кальция, карбонат натрия и отшлаковывающую примесь.

Несмотря на то что сердечник порошковой про­волоки содержит до 60% металлических порошков, его удельное электрическое сопротивление на 2—3 порядка выше удельного сопротивления стальной оболочки. При такой разнице в проводимостях сердечник практически неэлектропроводен, и сва­рочный ток проходит по металлической оболочке. Поэтому активное пятно дуги занимает не все сече­ние проволоки, а находится на оболочке или капле расплавленного металла. Сердечник плавится за

счет излучения дуги и конвективного теплообмена с расплавленным металлом и разогретыми газами В связи с этим плавление оболочки несколько опере жает плавление сердечника. Это явление нежела тельное. Оно способствует снижению эффективности газошлаковой защиты металла от воздуха. Отстава­ние плавления сердечника затрудняет сварку корот­кой дугой и способствует засорению металла шва шлаковыми включениями.

Более благоприятное соотношение скоростей плав­ления оболочки и сердечника достигается повышени­ем тепло — и электропроводности последнего, пониже­нием температуры плавления смеси и минеральных составляющих или введением плавней, например фтористого кальция, изменением конструкции прово­локи. В проволоках сложной конструкции (см. рис. 6, б, в, г) более благоприятное плавление оболочки и сердечника достигается за счет разделения по­следнего на части металлическими перегородками, представляющими одно целое с оболочкой.

При создании композиций порошковых проволок различных назначений пользуются всеми названны­ми путями, способствующими уменьшению отста­вания плавления сердечника от плавления обо­лочки.

При сварке порошковой проволокой наблюдается капельный перенос металла. Для проволок рутилово­го и рутил-органического типов характерен мелкока­пельный перенос электродного металла. Проволоки с сердечниками, дающими при расплавлении основ­ные шлаки, как правило, характеризуются крупно­капельным переносом металла. Увеличение плот­ности тока приводит к измельчению капель элек­тродного металла. Устойчивость горения дуги при этом повышается.

Методом калориметрироваиия установлено, что

температура капель металла при сварке порошковы­ми проволоками большинства марок находится в пре­делах 2300—2900° С и зависит от рода тока, поляр­ности и параметров режима сварки. Существенно влияет на температуру капель состав сердечника. Увеличение количества железного порошка в сердечнике приводит к снижению температуры ка­пель.

Особенности плавления порошковой проволоки учитываются при построении композиций сердечни­ка. Важнейшие показатели, определяющие общие характеристики проволоки: минимальное отстава­ние плавления сердечника от плавления оболочки, возможно более раннее получение шлакового рас­плава, равномерное и полное разложение газообра­зующих материалов, увеличение доли металла, за­щищенного шлаком.

Взаимодействие металла с газами. При сварке самозащитной порошковой проволокой необходимо создание эффективной защиты металла от воздуха и, прежде всего, от азота. Обычное следствие плохой защиты от воздуха — пониженная пластичность ме­талла шва и пористость. По содержанию азота в ме­талле шва определяют эффективность защиты ме­талла от воздуха.

В самозащитных проволоках применяется комби­нированная газовая и шлаковая защита металла от воздуха. Однако ведущая роль принадлежит газовой- защите. В проволоках рутил-органического типа для образования газовой защиты имеются органи­ческие материалы, практически полностью разлага­ющиеся в дуге. В проволоках карбонатно-флюорит — ного типа газовая защита металла обеспечивается за счет разложения карбонатов.

Несмотря на различие химического состава, фи­зических свойств, а также состава выделяющихся

при разложении газов, характер влияния количест­ва вводимых в проволоку газообразующих на со­держание азота в металле шва очень близок для проволок с органическими веществами и проволок с карбонатами. На рис. 8 показана зависимость со-

держания азота в наплавленном металле от коли­чества газообразующих для некоторых опытных проволок. В качестве приведенных количеств QnpHB газообразующих взяты доли этих материалов в проволоке, идущие на образование защитной атмо­сферы. Увеличение количества газообразующих ма­териалов выше определенного предела становится неэффективным с точки зрения снижения содержа­ния азота, приводит к чрезмерному разбрызгиванию металла и нарушению стабильности процесса.

Содержание азота в металле шва зависит также от режима сварки (рис. 9). Влияние параметров

режима сварки связано с изменениями важнейших факторов, определяющих процессы поглощения азота жидким металлом, прежде всего на стадии капли. Увеличение сварочного тока при сварке са — мозащитной проволокой рутил-органического типа приводит к уменьшению содержания азота в ме­талле шва. При сварке проволокой карбонатно — флюоритного типа изменение сварочного тока су­щественно не влияет на содержание азота в метал­ле шва. Использование в качестве защитной среды углекислого газа позволяет сохранить содержание азота на низком уровне при высоких сварочных то­ках увеличением расхода газа. С повышением на­пряжения дуги содержание азота в металле растет. Эта зависимость справедлива для проволок раз­личных типов, диаметров и конструкций. При уве­личении длины дугового промежутка, выделяю­щегося при плавлении проволоки, газа может оказаться недостаточно для оттеснения воздуха от поверхности расплавленного металла, парциальное давление азота в зоне дуги увеличивается, и содер­жание его в металле растет.

Содержание азота в металле наплавки меняется при изменении длины вылета проволоки. Увеличе­ние вылета приводит к ранней диссоциации газооб­разующих материалов, к потере части защитного газа за счет его удаления через стык в оболочке порошковой проволоки. Вероятность этих потерь в проволоке рутил-органического типа выше, по­скольку температура диссоциации органических материалов ниже, чем карбонатов.

Конструктивное выполнение проволоки может существенно изменить условия защиты металла от. воздуха. Сравнение графиков (рис. 10) подтвер­ждает рациональность применения проволок слож­ной (двухслойной) конструкции. При двуслойной

конструкции проволоки можно увеличить долю газошлакообразующих материалов в сердечнике без опасности нарушения равномерности плавле­ния сердечника и оболочки. Эффективная защита металла от воздуха при плавлении проволоки двух­слойной конструкции позволяет получить плотные

Рис. 10. Зависимость со­держания азота в метал­ле наплавки от напряже­ния на дуге в проволоке конструкции:

/ — трубчатой; 2— двухслой-
ной.

швы с низким содержанием азота в более широком диапазоне напряжения дуги, чем при сварке прово­локой трубчатой конструкции.

Шлаки, образующиеся при сварке проволоками карбонатно-флюоритиого типа, плохо защищают расплавленный электродный металл и металл сва­рочной ванны. Легируя проволоку нитридобразую — щими элементами, например титаном или алюми­нием, можно предупредить пористость, вызванную азотом. Такой способ нейтрализации вредного влия­ния азота использован в ряде марок проволоки трубчатой конструкции. Легированная нитридобра — зующими элементами проволока имеет достаточ­ный диапазон рабочих напряжений дуги и хорошие сварочно-технологические свойства. В этих услови­ях марганец и кремний, обладающие меньшим срод­ством с кислородом, могут играть роль легирую­щих примесей и использоваться для регулирования прочностных показателей металла шва. При высо­ких напряжениях дуги в металле швов, легирован­ных титаном и алюминием, фиксируются значи-

тельные количества азота в виде нитридов титана или алюминия, что приводит к резкому снижению пластических свойств металла (рис. 11). Недостаток нитридобразующих приводит к пористости. Поэтому

Рис. 11. Ударная вязкость металла швов, легированного (и) титаном (содержание титана, проц.: / — 0,01; 2 — 0,12; 3 — 0,26; 4 — 0,42) и (б) алюминием (содержание алюминия, проц.: 1 — 0,05; 2 — 0,18; 3 — 0.57; 4 — 0,90).

Поры /

/ нет

пор

26

24

Рис. 12. Предельное напряжение дуги при легирова-
нии металла шва:

а — титаном; б — алюминием.

содержание данных элементов в металле шва необ­ходимо строго контролировать. На рис. 12 показано влияние титана и алюминия на величину макси­мально допустимого напряжения дуги при условии получения плотных швов.

Существует два способа легирования порошковой проволоки титаном и алюминием. Первый состоит в применении небольших добавок титана и алюми­ния. В этом случае обеспечиваются высокие пласти­ческие свойства металла шва. Однако низкое содер­жание нитридобразующих в проволоке недоста­точно для связывания азота, когда напряжение ду­ги превышает номинальное, вследствие чего шов по­ражается порами. Технологические возможности применения таких проволок для полуавтоматичес­кой сварки ограничены. Второй путь — введение в проволоку нитридобразующих в количествах, пред­отвращающих пористость в диапазоне реальных ко­лебаний режима сварки по напряжению.

Водород — причина образования пористости и снижения пластических характеристик металла. При сварке порошковой проволокой водород поступает в зону дуги из материалов сердечника, окружающе­го воздуха и с поверхности свариваемого металла. Поставщиком водорода в дугу являются также ос­татки волочильной смазки на проволоке.

При плавлении проволоки рутил-органического типа вследствие больших концентраций водорода в зоне дуги, источником поступления которого в ос­новном служат органические материалы и влага сердечника, суммарное содержание диффузионного и остаточного водорода в наплавленном металле до­статочно высоко и находится на уровне 20—30 с, и3 па 100 г металла. Металлургические пути снижения содержания водорода в металле шва при сварке проволокой этого типа ограничены. Уменьшить со­держание водорода можно либо значительным сни­жением количества водородсодержащих компонен­тов в проволоке (что не всегда допустимо), либо за счет интенсифицирования процесса водородного ки­пения сварочной ванны. Содержание водорода в ме-

tаЛЛе шва можно регулировать также за счет измене­ния параметров, оказывающих наибольшее влияние на скорость кристаллизации ванны — сварочного то­ка и скорости сварки.

Содержание водорода в металле, наплавленном проволокой карбонатно-флюоритного или флюорит — ного типа, значительно ниже, чем при использовании проволоки рутил-органического типа. Главный ис­точник водорода в проволоке этих типов — влага, адсорбированная на поверхности частиц сердечни­ка. При высокой влажности сердечника в металле шва возникает пористость, предотвратить которую позволяет прокалка при температуре 230—250° (табл. 13).

Таблица 13

Влияние прокалки на содержание влаги в проволоке и водорода в наплавленном металле

Тип сердечника

Диа­

метр,

мм

Содержание влаги, проц. от массы проволоки

Содержание водорода, скг’/ІОО г

до про­калки

после

про­

калки

до про­калки

после

про­

калки

Карбонатно-флюоритнын

3

0,33

0,16

8

4,5

То же

2,3

0,40

0,16

8,5

5

Рутиловый

2,5

0,21

0,14

8,7

6,6

Рутил-флюо ратный

2,5

0,28

0,13

8

4,5

Действенное средство борьбы с водородом — вве­дение в сердечник проволоки этого типа фторсодер­жащих материалов. Порошковые проволоки карбо­натно-флюоритного типа, содержащие в сердечнике кремнефтористый натрий, допускают сварку при

небольшом увлажнении сердечника и без удаления смазки с поверхности проволоки. Такой эффект дос­тигается благодаря связыванию водорода в дуге фтором в нерастворимый в стали фтористый водо­род (табл. 14).

Таблица 14

Влияние кремнефтористого натрия на содержание водорода в наплавленном металле

Кремнефто-

Водород,

Кремнефто-

Водород,

ристый нат­рий, проц.

см3/100 г

ристый нат­рий, проц.

см*/Ш0 г

0

18,3

1,0

12,9

0,5

15,8

1,5

9,7

Содержание водорода в наплавленном металле уменьшается при увеличении вылета электродной проволоки. Это достигается благодаря предвари­тельному нагреву проволоки на вылете и частично­му удалению влаги из сердечника и смазки с поверх­ности проволоки.

Пористость в сварных швах. Перегретый металл капель и ванны, взаимодействуя с активизирован­ными дугой водородом и азотом, при определенном парциальном давлении этих газов в атмосфере дуги адсорбирует их в количествах, значительно превы­шающих стандартную растворимость в металле. Растворимость водорода и азота в жидком железе достигает максимума при температуре 2300—2400° С и снижается с уменьшением температуры металла. В результате этого при охлаждении жидкого метал­ла может быть достигнуто значительное перенасы­щение сварочной ванны газами во всем ее объеме. При уменьшении температуры и снижении раство­римости газов в металле возникают пузырьки газа,

которые приводят при кристаллизации металла к по­ристости.

Результаты расчетов свидетельствуют о том, что во время движения фронта кристаллизации возник­новение пузырька водорода маловероятно, посколь­ку скорость роста кристаллов обусловливается ско­ростью отвода тепла, которая по крайней мере на два порядка выше скорости диффузии водорода в жидком металле. Еще менее вероятно в этом случае образование пузырьков азота. Более благоприятны условия для образования пор вблизи фронта крис­таллизации во время остановки. Локальное перена­сыщение жидкого металла газом в узком перемеши­вающемся слое и направление диффузионного по­тока газа в жидкую фазу способствует образованию пор. Однако условия для роста здесь достаточно ог­раниченные, поскольку продолжительность останов­ки мала и не превышает 0,1—0,2 с, что недостаточ­но для развития микропоры. Для развития зароды­ша в пузырек необходим интенсивный подвод газа из жидкого металла, главным образом, путем кон­вективного массопереноса из объема сварочной ван­ны, перенасыщенной газами вследствие уменьшения чх растворимости при охлаждении металла. При­ближенные термодинамические расчеты позволяют оценить вероятность возникновения пор в металле и выявить роль отдельных газов в возникновении пористости по результатам химического и газового анализов металла шва. Из газов, способствующих возникновению пористости,— водород наиболее

диффузионно подвижный, поэтому его роль в воз­никновении пористости при наличии условий явля­ется ведущей. В то же время реакция окисления уг­лерода может вызвать пористость лишь при очень высоких концентрациях кислорода в металле, по­скольку углерод и кислород диффундируют со зна-

чительно меньшими скоростями, чем водород. Важ­ную роль в возникновении и развитии газовых пу­зырьков играют поверхностно-активные элементы, в частности углерод и кремний. Блокируя межфазную поверхность жидкий металл — газ, они замедляют десорбцию газа и способствуют перенасыщению ме­талла ванны газами, особенно в холодной ее части, в момент, непосредственно предшествующий затвер­деванию металла. Развитие пузырька идет в объеме вязкого металла, в котором скорость всплывания пузырька понижена. В этих условиях часто образу­ются наружные свищи.

При сварке самозащитной проволокой рутил-орга — нического типа возникновению пористости способ­ствует повышение содержания кремния в стали, вве­дение в проволоку активных раскислителей, увели­чение силы тока и вылета электрода. В проволоке этого типа насыщение металла азотом ограничивают органические материалы. Однако большое коли­чество органических материалов в сердечнике (до 3%) приводит к неравномерному плавлению, ухуд­шению сварочно-технологических свойств проволоки и возникновению пористости. Расчеты и эксперимен­тальные данные показывают, что ответственным за пористость при сварке проволоками рутил-органи — ческого тина является водород. При отсутствии в проволоке органических материалов образованию пор могут способствовать окись углерода и азот. С увеличением сварочного тока заметно отставание плавления сердечника от плавления оболочки. Попадающие в ванну нерасплавившиеся частицы сердечника могут служить центрами зарождения пузырьков газа. Учитывая высокое скрытое парци­альное давление водорода по сравнению с другими газами, его следует считать основной причиной об­разования пор при сварке на повышенных то-

ках проволокой рутил-органического типа. Снизить вероятность образования пористости можно, создав условия для повышенного поглощения водорода на стадии капли и интенсивного его выделения из ван­ны при температурах, превышающих температуру начала кристаллизации. Такие условия создаются при увеличении парциального давления водорода в атмосфере дуги. В порошковой проволоке эта зада­ча решена путем введения в сердечник минералов, имеющих в своей структуре кристаллизационную воду. Благодаря этому же не возникает пористость при сварке но ржавому металлу. Введение дозиро­ванного количества влаги предотвращает восстанов­ление кремнезема сердечника и переход кремния в металл. Повышение концентрации водорода и сни­жение содержания кремния в ванне интенсифициру­ют процесс выделения газов и обеспечивают удале­ние значительных количеств водорода и азота из сварочной ванны до начала кристаллизации.

Пористость швов при сварке проволокой карбонат — но-флюоритного типа наблюдается при удлинении дуги, увлажнении материалов сердечника, а также при сварке ржавого металла. Возникновение пор при сварке на повышенном напряжении дуги связа­но с повышенной абсорбцией азота и недостаточно хорошей защитой металла капель и ванны. Поэтому для предупреждения пористости надежная защита металла от воздуха при сварке проволокой карбо — натно-флюоритного типа имеет важное значение. При наличии нитридобразующих элементов даже высокое содержание азота может не вызвать порис­тости, если концентрация этих элементов достаточна для связывания его в стойкие нитриды в жидком ме­талле сварочной ванны. В проволоке карбонатно — флюоритного и флюоритного типов трубчатой кон­струкции применение нитридобразователей — прак-

тическн обязательно для получения беспористьіх швов, так как защита от азота в этом случае явля­ется нерешенной проблемой. Применение проволоки сложной, особенно двухслойной, конструкции всегда желательно с точки зрения снижения пористости швов, вызванной азотом.

Основная причина пористости при наличии в про волоке и на основном металле ржавчины, окалины и влаги—водород. Поэтому обеспечение мини­мального содержания водорода в зоне дуги — одна из решающих мер предупреждения пористости. По­скольку основной источник, поставляющий водород в дугу,— влага, находящаяся в сердечнике прово­локи, следует стремиться к обеспечению минималь­ной влажности материалов сердечника проволоки. Снизить влажность готовой порошковой проволоки можно низкотемпературной прокалкой ее при тем­пературе 230—250° С. К этому часто прибегают при использовании длительно хранящейся проволоки. Менее чувствительна к увлажнению сердечника про­волока с кремнефторидами. Этот путь борьбы с по­ристостью, вызываемой водородом, применим в композициях проволоки всех типов, за исключением рутил-органического.

Причиной пористости при сварке порошковой про­волокой в углекислом газе является увлажнение ма­териалов сердечника проволоки, применение неосу- шейного газа, ржавчина на поверхности металла, а также недостаточный расход газа или сдувание струи защитного газа. По сравнению со сваркой про­волокой сплошного сечения в углекислом газе защи­та от азота при сварке порошковой проволокой бо­лее совершенна, так как есть возможность дополни­тельно защитить расплавленный металл шлаком. Потенциальное содержание водорода в порошко­вой проволоке выше. Поэтому при сварке проволо-

кой с рутиловым сердечником без применения специ­альных мер борьбы с водородом нс всегда удается получить плотные швы. Главное средство борьбы с водородом — введение фтористых соединений. В проволоке рутил-флюоритного типа флюорита обыч­но бывает достаточно для обеспечения низких содер­жаний водорода в металле и высокой стойкости про­тив пор. Для всех типов проволоки, применяющей­ся при сварке в углекислом газе, прокалка при тем­пературе 230—250° С способствует удалению влаги из сердечника и органических материалов с поверх­ности проволоки.