1.2 Сварочные флюсы и электродные проволоки
Сварочным флюсом (ГОСТ 9087 — 81) называется неметаллический материал, расплав которого необходим для сварки и улучшения качества шва.
К флюсам для автоматической и полуавтоматической сварки предъявляют ряд следующих требований:
-обеспечение стабильности горения дуги в процессе сварки;
- получение заданного химического состава наплавленного металла;
- обеспечение требуемого формирования металла;
- получение швов без трещин и с минимальным (допустимым) числом шлаковых включений и пористостью;
- обеспечение легкой отделяемости шлаковой корки от поверхности наплавленного металла.
Решение этих задач связано с составом свариваемого материала и используемой электродной проволоки. Поэтому используемые для наплавки флюсы весьма разнообразны.
Химический состав наплавленного металла формируется в результате расплавления основного и электродного материалов, а также зависит от степени защиты от воздуха. Степень защиты от воздуха определяется как образующимся в результате горения дуги шлаковым куполом над реакционной зоной, так и высотой слоя твердых частиц флюса над этой зоной. Высота слоя насыпаемого на место сварки флюса с определенным гранулометрическим составом частиц зависит от режимов сварки. Для наиболее распространенных флюсов, применяемых при сварке (наплавке) конструкционных малоуглеродистых и малолегированных сталей, которые широко используются в автомобильном производстве, рекомендации по количеству флюса, насыпаемого на место сварки, приведены в табл.1.2.
Таблица 1,2. Высота слоя флюса и грануляции частиц для сварки на различных режимах
Флюсы классифицируют по следующим основным признакам.
1. Назначению:
флюсы общего назначения применяют для сварки и наплавки углеродистых и низколегированных сталей; флюсы специального назначения применяют для специальных способов сварки, таких как электрошлаковая сварка, сварка легированных сталей и т. д.
2. Способу изготовления:
плавленые, т. е. получаемые сплавлением шихты в электрических или пламенных печах, и неплавленые — т. е. изготовленные без расплавления шихты. К неплавленым относятся флюсы, изготовленные измельчением и смешиванием отдельных компонентов, а также керамические флюсы, которые получают смешиванием порошкообразных шлакообразующих, легирующих, раскисляющих и других компонентов.
3. Химическому составу: оксидные флюсы, состоящие из окислов металлов и фтористых соединений, применяемые для сварки и наплавки углеродистых и низколегированных сталей; солевые флюсы, состоящие из фтористых и хлористых солей, применяемые для сварки активных металлов; солеоксидные флюсы, применяемые при сварке и наплавке высоколегированных сталей.
4. Химическому составу шлакообразующей части:
кислые флюсы, содержащие кислые окислы SiO2 и TiO2; нейтральные флюсы, содержащие в основном фториды и хлориды; основные флюсы, содержащие окислы основного характера, такие как СаО, МgО и FеО.
Таблица 1.3. Некоторые флюсы, применяемые при сварке углеродистых и малолегированных сталей
Плавленые флюсы различают по строению частиц: стекловидные, пемзовидные и кристаллические флюсы.
По размеру частиц (зерен) флюсы делятся на:
-тонкозернистые(с зерном доО,8мм);
-мелкозернистые(0,1 — 1,6 мм);
-среднезернистые{0,25 — 3,0 мм)
- крупнозернистые (0,35 — 5,0мм).
Плавленые флюсы, в сравнении с керамическими, обладают более высокими технологическими свойствами (лучшая защита от воздуха, формирование наплавляемого сплава, отделимость шлаковой корки). Кроме того, плавленые флюсы более дешевые. Однако керамические флюсы позволяют в более широких пределах легировать наплавленный металл посредством элементов, входящих в флюс. Для механизированной наплавки наиболее широко используются плавленые флюсы.
Плавленые флюсы различают по содержанию в них окислов различных элементов. По количеству окиси кремния флюсы разделяются на:
-высококремнистые (38 — 44% SiO2);
- низкокремнистые (до 0,5 SiO2);
- бескремнистые.
По содержанию окиси марганца на:
-высокомарганцевые (более 30 % MnО);
-среднемарганцевые (15 — 30 % МnО);
- низкомарганцевые (менее 0,5 % МnО).
Высококремнистые плавленые флюсы предназначены в основном для сварки и наплавки деталей из углеродистых и низколегированных сталей (табл. 1.3). Наиболее широко в ремонтном производстве для восстановления деталей наплавкой используют высококремнистые марганцовистые флюсы ОСЦ-45, ОСЦ-45М, АН-348А и АН-348АМ.
Чтобы уменьшить окисление металла в результате его реакций с флюсом, для сварки легированных сталей используют флюсы с ограниченной концентрацией окиси кремния и окиси марганца. Состав некоторых таких флюсов приведен в табл. 1.4.
Рассмотренные плавленые флюсы являются системами, состоящими из неметаллических составляющих, окисных и галогенных соединений. Легирование наплавленного металла в этих случаях может иметь место только в результате диссоциации соединений, входящих в состав флюса, или в результате обменных реакций, которые сопровождаются либо повышением в металле концентрации кислорода, либо потерей им других полезных легирующих составляющих. Поэтому вводить таким способом большое количество легирующих элементов в наплавленный металл через флюс затруднительно, и оно ограничивается, как правило, десятыми долями процента.
Более эффективным способом легирования через флюсы является введение в их состав свободных металлических составляющих. В этих случаях флюс представляет собой смесь металлических и неметаллических составляющих. Такие флюсы называют керамическими. Составы керамических флюсов могут быть весьма разнообразными, включающими различные окислы, карбонаты, галогениды, металлические порошки, различные сложные соединения и связующие. В качестве основного вида связующего обычно используют жидкое стекло.
Имея неоспоримое преимущество в виде возможности широкого диапазона легирования наплавленного сплава, керамические флюсы имеют и серьезные недостатки. Осуществляемое ими легирование связано с количеством флюса, переводимого в жидкую фазу, а оно в сильной степени зависит от сварочного режима и однородности химического состава флюса. Это приводит к значительной неоднородности наплавленного металла по химическому составу. Кроме того, к недостаткам керамических флюсов следует отнести, низкую механическую прочность и большую гигроскопичность.
Однако, несмотря на отмеченные недостатки, керамические флюсы достаточно широко используются для восстановления деталей наплавкой. Чаще применяют флюсы АНК.-18 и АНК.-19- Например, химический состав металла, наплавленного недорогой низкоуглеродистой электродной проволокой СЬ-08 под слоем флюса АНК-19 содержит: 0,49 % С; 0,66% Мn; 0,34% Si; 3,15 %Сr. При этом твердость наплавленного металла лежит в пределах ИКС 45 — 49.
Таблица 1.4. Состав флюса для сварки легированных сталей
Электродная проволока для сварки под флюсом выпускается по Государственному стандарту, который распространяется на горячекатаную и холоднокатаную проволоку из углеродистых, легированных и высоколегированных сталей. В ГОСТе указывается диаметр проволоки, химическиq состав, размеры мотков и другие данные. Примерный химический состав материала проволоки можно определить по буквам и цифрам, входящим в обозначение марки проволоки. Сварочная проволока имеет индекс "СЬ", а наплавочная "Нп". Цифры указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Марку проволоки выбирают в соответствии с химическим составом свариваемой стали. Например, для сварки малоуглеродистых сталей используют низкоуглеродистые проволоки СЬ-08, СЬ-08А, СЬ-08ГА и др. Легирующие элементы, входящие в состав проволоки, имеют те же обозначения, что и при маркировке стали. Буква "А" указывает на повышенную чистоту металла по содержанию серы и фосфора. Проволока, изготовленная из стали, выплавленной электрошлаковым или вакуумно-дуговым способом или же в вакуумно-индукционных печах, обозначается буквами Ш, БД и ВИ,
Наплавочную проволоку разделяют на три группы: из углеродистой стали типа Нп-30, Нп-40, Нп-80 и другие, всего 8 марок; из легированной стали, например Нп-ЗОХ5, Нп-ЗОХГСА, всего 11 марок; из высоколегированной стали, например Нп-4X13, Нп-45Х4ВЗФ, Нп-45Х2В8Т, всего 9 марок.
Для наплавки под слоем флюса используют также и порошковые проволоки марки ПП-ЗХ2В8, ПП-10ХВ14.
Для повышения производительности процесса наплавки под флюсом последнее время в качестве наплавочного электродного материала используют сплошные или порошковые ленты толщиной 0,3— 1 мм и шириной 20 — 100 мм. Однако для использования данных материалов для наплавки автомобильных деталей требуется проведение дополнительных исследований.
Режимы наплавки. Качество сварного соединения и наплавленной детали во многом определяется режимами наплавки, которые характеризуются размером сварочного тока, напряжением, родом тока и его полярностью, скоростью сварки, диаметром и скоростью подачи электродной проволоки: К дополнительным параметрам, режима относится вылет электрода, наклон электрода к наплавляемой поверхности, марка флюса.
Параметры режима наплавки выбирают исходя из толщины слоя наплавляемого металла, размеров детали, требуемой формы наплавляемого валика. Режим сварки выбирают по экспериментальным таблицам или расчетом.
Силу сварочного тока ориентировочно можно определить по эмпирической форме
Jсв=110d+10d2
где d— диаметр электрода, мм.
Скорость наплавки в метрах в минуту
υн=αнJсв/60M
где αн — коэффициент наплавки, г/(А- ч); Jсв— сила сварочного тока. А; М - масса 1 м металла наплавки, г.
Скорость подачи электродной проволоки в метрах в минуту
υп=4αнJсв/(60πd2γ)
где d — диаметр электродной проволоки, мм; γ — плотность наплавленного металла, г/см3.
Частота вращения наплавляемой детали в оборотах в минуту
N=[250 υп d2 υп d2/(ΔsD)]η
где υп — скорость подачи электродной проволоки, м/мbн; Δ — толщина слоя наплавки, мм; s — шаг наплавки, мм/об; D — диаметр восстанавливаемой детали, мм; η — коэффициент наплавления,
Обычно шаг наплавки s принимают равным от 2 до 6 диаметров электродной проволоки за один оборот детали. Наплавку плоских поверхностей осуществляют через валик или отдельными участками, что позволяет уменьшить коробление детали.
При наплавке автомобильных деталей, особенно таких, у которых длина значительно превышает диаметр наплавляемой поверхности, необходимо стремиться к минимальной глубине проплавления основного металла. Это позволяет уменьшить деформацию детали и зону термического влияния, а также снизить вероятность образования трещин в наплавленном металле. Поэтому при выборе режимов наплавки выбирают, как правило, минимально допустимый сварочный ток. Кроме того, увеличение диаметра электродной проволоки при неизменном сварочном токе также уменьшает глубину проплавления и увеличивает ширину шва в связи с эффектом блуждания дуги.
При сварке на постоянном токе глубина проплавления будет зависеть и от полярности, что объясняется различной температурой на катоде и аноде дуги. При сварке на постоянном токе обратной полярности (минус на деталь) глубина проплавления на 40 — 50 % меньше, чем при сварке током на прямой полярности. В определенных пределах глубину проплавления можно изменять, регулируя вылет электрода. С увеличением вылета электрода интенсифицируется его подогрев и соответственно скорость плавления, в результате чего толщина расплава под дугой увеличивается и глубина проплавления уменьшается.
Ширину наплавляемого валика регулируют выбором диаметра электродной проволоки и изменением напряжения дуги, При увеличении напряжения возрастает длина дуги, в результате чего увеличивается ее подвижность и возрастает доля теплоты дуги, расходуемой на расплавление флюса. При этом растет ширина валика наплавленного металла, а глубина проплавления остается практически постоянной.
В табл. 1.5 и 1.6 приведены режимы наплавки плоских и цилиндрических деталей.
Таблица 1.5. Режимы наплавки цилиндрических деталей под слоем флюса
Таблица 1.6. Режимы наплавки под слоем флюса плоских поверхностей
