10.3. Защитные газовые атмосферы при сварке плавлением

Идея газовой защиты зоны сварки была предложена еще Н. Н. Бенардосом в одном из его изобретений, но реально вопло­тилась в технологический процесс в конце 40-х годов XX в., когда появилась необходимость сварки активных металлов, та­ких, как алюминий и его сплавы, а позднее — титан и его сплавы.

Для защиты зоны сварки стали применяться инертные га­зы — аргон и гелий. Был разработан процесс аргоно-дуговой сварки и соответствующее сварочное оборудование для автома­тической и механизированной сварки плавящимся и неплавящим­ся электродами. Для сварки чистой меди оказалось возможным применять азот высокой чистоты, так как медь не дает с ним сое­динений, устойчивых в условиях дуговой сварки.

Однако для сварки низкоуглеродистых низколегированных сталей применять дорогие и дефицитные инертные газы было экономически нецелесообразно, поэтому был разработан метод сварки в углекислом газе, который может быть легко получен в любом количестве и в баллонах доставлен к месту сварки.

Разработка метода сварки в струе углекислого газа с при­менением специальных электродных проволок (Св10Г2С) ока­залась решением важной народнохозяйственной задачи.

В настоящее время этот процесс сварки получил очень широкое применение при изготовлении конструкций низкоуглеро­дистых низколегированных, среднелегированных и высоколегиро­ванных сталей при высоком качестве сварных соединений. В последние годы разработаны способы газовой защиты с приме­нением различных газовых смесей (Аг + Не, Аr + О₂, Аr + СО₂, СО2 + О₂ и др.), что расширяет сварочно-технологические и ме­таллургические возможности данного метода сварки. По объему применения сварка в СO₂ составляет 90%, в аргоне — 9% и в смесях газов — 1%.

К газовой защите можно также отнести вакуум, который ис­пользуется при электронно-лучевой сварке (ЭЛС) высокоактив­ных металлов (титан, цирконий, молибден и т.д.).

СВАРКА В СТРУЕ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА

Сварку в струе углекислого газа осуществляют с помо­щью специальной сварочной головки, перемещающей сварочный инструмент и подающей в зону сварки электродную проволоку: Схема сварочной головки представлена на рис. 10.11. С помощью сопла создается поток углекислого газа, омывающий зону дугового разряда и от­тесняющий из зоны сварки воздушную атмосферу (N_2, С₂). Сварку можно вести в ав­томатическом или полуавтома­тическом режиме. В последнем случае сварочный инструмент перемещается рукой сварщика, а электродная проволока по­дается по гибкому шлангу с помощью отдельно установлен­ного механизма к соплу сва­рочного инструмента. Механи­зированная сварка в СO₂ на­шла широкое применение при проведении сварочных работ в судостроении, в строительстве, когда невозможно использовать сварочные автоматы.

Углекислый газ (СО₂) обладает молекулярной массой 44 и плотностью 1,96 кг/м³, поэтому он хорошо оттесняет воздух, плотность которого ниже (1,29 кг/м³). Поставляется углекислый газ в баллонах или контейнерах, где он находится в жидком состоянии, так как критические параметры газа следующие: T_кр=304 К, Р_кр= 7,887 МПа.

Для сварки применяют газ с пониженным содержанием вред­ных примесей — кислорода, азота, оксида углерода, влаги в соответствии с ГОСТ 8050—74.

Качество сварных швов зависит не только от чистоты СO₂, но и от его расхода и характера истечения из сопла инструмен­та. Защитный газ должен вытекать из сопла под небольшим дав­лением, обеспечивающим спокойный (ламинарный) характер истечения. Такое важное требование выполняется, если расход газа составляет примерно 8...12 л/мин. Турбулентный (с завих­рениями) характер истечения газового потока ухудшает качество защиты сварочной зоны вследствие возможного подсоса воздуха в эту зону.

Характер истечения защитной струи газа определяется гео­метрическими параметрами сопла сварочного инструмента. Уста­новлены оптимальные соотношения между диаметром сопла и длиной его цилиндрической части, требования к форме сопла и то расстояние, на котором оно должно находиться от сваривае­мого . изделия, и некоторые другие параметры конструкции инструмента [23].

Металлургические процессы при сварке сталей в струе СО₂.

Углекислый газ в области высо­ких температур диссоциирует на СО и О₂. На этот процесс расходу­ется часть тепловой энергии и дуго­вого разряда

2CO₂ → 2CO + O₂-Q.

Зависимость равновесия процес­са диссоциации от температуры бы­ла приведена на рис. 9.25.

В условиях высоких и быстро­меняющихся температур при сварке состав продуктов диссоциации СО₂ в разных точках дугового разряда будет изменяться.

На рис. 10.12 приведена схема­тическая диаграмма распределения температур и концентрации газов вдоль оси сварного шва при движе­нии сварочной головки с постоянной скоростью v_св.

В точке О на оси столба дуги происходят резкое повы­шение температуры и диссоциация СО₂. С каплями электродно­го металла, проходящими через дуговой промежуток, будет со­прикасаться атмосфера, состоящая из 66,6% СО и 33,3% О₂. По отношению к металлу она окислительная:

2Fe + O₂ → 2FeO.

Но в то же время большая концентрация СО будет тормозить этот процесс и, кроме того, задерживать окисление углерода стали:

[Fe₃C] + [FeO] →4Fe + CO ↑ .

Наличие в атмосфере дуги значительного количества кисло­рода требует дополнительного легирования сварочной проволоки кремнием (около 1%) и марганцем (около 2%). Поэтому для сварки низкоуглеродистых сталей применяют специальные сва­рочные проволоки (Св08ГС, Св08Г2С).

Легирующие добавки с каплями электродного металла ра­створяются в жидком металле сварочной ванны и задерживают окисление железа.

Диссоциация паров воды, поступившей из-за повышенной влажности СО₂, тоже будет тормозиться вследствие высокой концентрации кислорода, полученного при диссоциации СO₂:

2Н₂О → 2Н₂ + О₂.

На участках, удаленных от оси столба дуги, будет происхо­дить рекомбинация молекул СО₂ с большим выделением тепловой энергии, которая раньше расходовалась на диссоциацию газа (около 30% электрической мощности дуги):

2CO + O₂ → 2C0₂ + Q.

Отбор теплоты на диссоциацию газа по оси дуги и его выделе­ние при обратном процессе на периферических участках дуго­вого разряда влияет на глубину проплавления и ширину шва. По сравнению с дугой, горящей в аргоне, при сварке в СО₂ первый параметр увеличивается, а второй уменьшается, что приходится учитывать технологам.

Газовая атмосфера на участках, удаленных от оси столба дуги, будет обогащаться СО₂ и водород, образовавшийся при диссоциации паров воды, будет связываться в молекулы Н₂О:

Н₂ + СО₂ → Н₂О + СО.

Таким образом, при сварке в струе углекислого газа ме­талл поглощает водород в меньших количествах, чем при других видах сварки.

В среднем при сварке низкоуглеродистых низколегированных сталей в СО₂ содержание водорода в наплавленном металле колеблется от 0,5 до 2 • 10^-5 м³/кг.

По отношению к металлу атмосфера будет по-прежнему окис­лительной, но раскислители кремний и марганец, введенные в сварочную ванну с помощью электродной проволоки, будут свя­зывать кислород, растворенный в металле:

[FeO] + [Mn] → Fe+ (MnO) ↑;

2 [FeO] + [Si] → 2Fe+ (SiO₂) ↑.

В хвостовой части сварочной ванны шлак всплывает на по­верхность металла, но обычно его недостаточно, чтобы соз­дать сплошной защитный слой на поверхности шва.

Металл, наплавленный при сварке в струе СО₂, чище по шлаковым включениям, и поэтому его пластические свойства несколько выше, чем при сварке под слоем флюса.

При сварке легированных сталей необходимо использовать специальные сварочные проволоки, содержащие раскислители (марганец и кремний) — Св08ГС, Св08Г2С, которые предохраняют от окисления легирующие добавки свариваемого металла (защитный газ СО₂— сильный окислитель). Подробно металлургические особенности процесса сварки в углекислом газе рассматриваются в работе [18].

В качестве активного защитного газа можно применять также перегретый водяной пар, который является самой дешевой защитной средой (Л. С. Сапиро). Однако в этом случае металл будет поглощать большое количество водорода:

H₂0 + Fe → [FeO]+H₂; Н₂ → 2 [Н].

Поглощая водород, металл резко ухудшает свои пластиче­ские свойства, но они восстанавливаются после термической обработки или даже просто при «вылеживании», так как диффу­зионно-подвижный водород покидает металл с течением времени. Метод нашел ограниченное применение для сварки неответствен­ных изделий из низкоуглеродистых низколегированных сталей.

МЕТАЛЛУРГИЯ ГАЗОПЛАМЕННОЙ СВАРКИ

Особый случай сварки металлов в активных газах — авто­генная сварка, в которой источником теплоты является ядро пламени горелки, а сварка происходит в атмосфере продуктов сгорания ацетилена в кислороде. В качестве горючих газов используются также смеси различных газообразных или жидких углеводородов.

Введено понятие объемного коэффициента β:

определяющего окислительную или восстановительную характе­ристику пламени.

П ри значении β<1 пламя получает восстановительный ха­рактер и при сварке сталей сварочная ванна начинает погло­щать углерод или в виде активных центров, не прореагировавших в пламени (С*; СН* и т.д.), или в результате реакций карбидообразования:

При значении коэффициента b = 1...1,2 в результате реакции

получается так называемое «нормальное» пламя.

Состав продуктов реакции и тем­пература пламени меняется в зави­симости от его длины, а вследствие подсоса кислорода из окружающей среды происходит догорание СО и H₂ — эта часть пламени носит на­звание ореола. Примерная зависи­мость температуры пламени от рас­стояния х от среза сопла горелки приведена на рис. 10.13. Состав пламени в зоне сварки имеет также восстановительный характер, и плавление металла для образования сварочной ванны идет без заметно­го окисления (см. гл. 9). Однако в отдельных случаях для рафинирования металла сварочной ванны используют флюсы.

При сварке сталей флюсы обычно не применяют, а восста­новительная атмосфера продуктов сгорания задается регули­ровкой пламени.

При значении коэффициента β >> 1 сварка не ведется, но это пламя используется при разделительной резке металла. Процесс резки стали идет в две стадии:

1) металл разогревается пламенем ацетилено-кислородной горелки до температуры воспламенения металла в струе кисло­рода. Эта температура для малоуглеродистой стали 1623К. Температура воспламенения повышается с увеличением содержа­ния углерода. Одно из условий развития разделительной резки — температура воспламенения должна быть ниже температуры плавления;

2) металл режется струей кислорода, вытекающей из горелки, и продукты горения выносятся струей кислорода в полость реза. Высокая температура при резке стали практически исключает образование Fе₂О₃ (см. гл. 9), и в продуктах окисления, выносящихся из полости реза, обнаруживаются FeO, Fe₃O₄ и несгоревшее железо в примерно таком соотношении: 20% Fe, 30%FeO, 50% Fe₃O₄. Теплота сгорания железа весьма значи­тельна и составляет около 70% от общего баланса теплоты, значительно превышая теплоту от подогревающего пламени горелки. Это позволяет применять вместо ацетилена другие горючие газы: пропан, пропан-бутановую смесь и др. Резка сталей и чугунов с большим содержанием углерода затруднена тем, что углерод повышает температуру воспламенения железа и одновременно понижает температуру плавления, т. е. нарушает условие резания (см. выше).

Также мешают разделительной резке кремний и хром, обра­зующие вязкие шлаки, с трудом удаляющиеся из полости реза, В этих случаях применяют кислородно-флюсовую резку, при ко­торой в струю режущего кислорода подается железный порошок. Он повышает температуру в области реза и снижает концентра­цию мешающих элементов. Этим методом, который был разрабо­тан Г. Б. Евсеевым в МВТУ им. Н. Э. Баумана, можно резать и неметаллические материалы (бетон, шлак).

СВАРКА В ИНЕРТНЫХ ГАЗАХ

Аргон и гелий не образуют химических соединений с метал­лами. Точно так же азот не взаимодействует с некоторыми металлами — медью, кобальтом и др. Поэтому процессы окисле­ния, азотирования, наводораживания, а также растворения га­зов и вредных примесей в сварочной ванне связаны с несо­вершенством газовой защиты зоны сварки и проникновением в нее атмосферного воздуха. Кроме этого, наличие даже небольших концентраций вредных примесей в инертных газах, окис­ленных поверхностных слоев на кромках металла и сварочной проволоки, способствует образованию оксидов, нитридов и дру­гих соединений, заметно снижающих физико-механические свойства сварных соединений.

Сварочное оборудование для автоматической и механизиро­ванной сварки в инертных газах по конструкции и принципу действия напоминает оборудование для сварки в СO₂. Сварку в струе аргона или гелия можно вести плавящимся электродом (сварочная проволока, совпадающая по составу с основным металлом) или неплавящимся вольфрамовым электродом. В последнем случае, если необходимо подать присадочный металл, его подают непосредственно в ванну автоматическим устройством с заданной скоростью. В этом случае отсутствует перегрев металла в каплях при прохождении дугового проме­жутка. Сварка неплавящимся электродом (W) применяется при изготовлении ответственных изделий из химически активных или редких металлов (Ti, Zr, Nb и др.).

Наиболее широкое применение находят неплавящиеся W-электроды из лантанированного (добавки оксида лантана до 2%) и итрированного (добавки оксида иттрия до 2%) вольфра­ма в виде прутков диаметром от 1 до 4 мм (марки соответствен­но ВЛ-2 и ВЛ-10, СВИ-1).

Аргон Аг имеет атомную массу 39,94 и плотность, равную 1,783 кг/м³, что значительно превышает плотность воздуха и обеспечивает хорошую защиту. Гелий имеет атомную массу 4, а плотность его равна 0,178 кг/м³ и организовать хорошую защиту в струе гелия труднее, чем в аргоне. Чистота аргона, поставляемого для сварки, достаточно высока

Дуговой разряд горит в струе аргона или гелия очень устойчиво и при меньших напряжениях на дуге по сравне­нию с СО₂. Это происходит потому, что инертные газы одноатом­ны и не расходуется энергия на их диссоциацию, а проводимость дугового промежутка обеспечивается парами свариваемого металла.

Металлургические процессы при сварке в инертных газах. Наиболее употребительный защитный инертный газ — аргон, так как он значительно дешевле, чем гелий, а также обладает лучшими защитными свойствами.

Сварку сталей осуществляют обычно под флюсом, в СО₂, но бывают случаи, когда целесообразно применить аргонно-дуговую сварку, — например для упрочненных средне- или высоколегиро­ванных сталей.

Низкоуглеродистые низколегированные стали, особенно кипя­щие, склонны к пористости вследствие окисления углерода:

[Fe₃C] + [FeO] → 4Fe + CO. (10.4)

Этот процесс идет за счет кислорода, накопленного в сталях во время их выплавки, но может возникать за счет примесей к аргону, за счет влажности газа и содержащегося в нем кислорода.

Для подавления этой реакции в сварочной ванне нужно иметь достаточное количество раскислителей (Si, Mn, Ti), т.е. использовать сварочные проволоки СвОЗГС или Св08Г2С. Мож­но снизить пористость путем добавки к Аr до 5% О₂, который, вызывая интенсивное кипение сварочной ванны, способствует удалению газов до начала кристаллизации. Добавка кисло­рода к аргону снижает также критическое значение свароч­ного тока, при котором осуществляется переход от крупнока­пельного переноса металла в дуге к струйному, что повышает ка­чество сварки.

Среднелегированные углеродистые стали обычно содержат в своем составе достаточное количество активных легирующих компонентов для подавления пористости, вызываемой окислением углерода. Это обеспечивает плотную структуру шва, а состав металла шва соответствует основному металлу, если электродные проволоки имеют также близкий состав.

Аустенитные коррозионно-стойкие и жаропрочные стали (12Х18Н10Т и т. д.) хорошо свариваются в среде аргона как плавящимся, так и неплавящимся электродами. При сварке этих сталей обычно не требуется каких-либо дополнительных мероприятий, но аустенитно-мартенситные стали очень чувстви­тельны к влиянию водорода, который их сильно охрупчивает и дает замедленное разрушение в виде холодных трещин. В этих случаях требуется осушка аргона или добавка к нему многова­лентных фторидов (SiF₄), которые связывают водород в ат­мосфере дуги и уменьшают поглощение водорода металлом.

Сварка алюминиевых и магниевых сплавов требует уже аргона повышенной чистоты, а также тщатель­ной разработки технологии подготовки свариваемых кромок и электродной проволоки из-за опасности появления пористости сварных соединений. Это определяется физико-химическими свойствами металлов.

Сварка алюминия и его сплавов (АМгб, Д80 и т. д.) затруд­нена наличием оксидных пленок Аl₂О₃ с температурой плавления около 2300 К. Оксиды алюминия способствуют образованию пор в металле шва и снижают стабильность горения дугового разряда при сварке вольфрамовым электродом на переменном токе. Кратко отметим физико-химические особенности этих процессов при сварке и те мероприятия, которые необходимо осуществить в целях предотвращения их отрицательного влияния на качество сварки.

Оксид Аl₂О₃ может гидратироваться, и при попадании в сварочную ванну он будет обогащать ее водородом, что приведет к пористости в сварном соединении, поэтому перед сваркой кром­ки изделия травят в щелочных растворах, механически зачищают металл и обезжиривают. Электродная проволока подвергается травлению и механической зачистке. Наилучшим способом под­готовки электродной или присадочной проволоки является элек­трохимическая полировка (Г. Д. Никифоров). Обработанная проволока должна храниться в герметичной таре. Для снижения пористости рекомендуется дополнительная осушка аргона.

Основной металл тоже следует контролировать на содержание водорода, так как при сварке он может диффундировать к линии сплавления и образовывать поры.

Оксид алюминия оказывает также отрицательное влияние на стабильность горения сварочной дуги при сварке на переменном токе вследствие существенного различия физических условий для эмиссии электронов с вольфрама и алюминия при смене поляр­ности (физические особенности дуги на переменном токе подроб­но рассмотрены в разд. I). Для сварки алюминиевых сплавов на переменном токе используют специальные источники питания, которые позволяют устранить вредное влияние на стабильность горения дуги постоянной составляющей (металлургия сварки подробно рассмотрена в работе [16]).

Сварка магниевых сплавов (МА2; MA8; MA2-1) в основном похожа на сварку алюминиевых сплавов, но оксид MgO, coставляющий основную часть поверхностного слоя, менее проч­но связан с металлом и не обладает такими защитными свойства­ми, как АlО₃.

Основные дефекты при сварке алюминиевых и магниевых сплавов — пористость и наличие оксидных включений в металле шва, так как оксиды Al₂O₃ и MgO обладают большей плотностью, чем жидкий металл, и не растворяются в нем.

Сварка титана и его сплавов (ВТ1; ВТ5; ВТ15; ОТ4) чрез­вычайно осложнена исключительной химической активностью титана. Титан реагирует с кислородом, азотом, углеродом, водородом, и наличие этих соединений приводит к резкой потере пластичности металла сварного соединения.

Особенно титан чувствителен к водороду, с которым он образует гидриды TiH₂; TiH_1,75 разлагающиеся при высокой температуре, а при кристаллизации образуются игольчатые кристаллы, которые нарушают связь между металлическими зернами титана (замедленное разрушение).

Для сварки необходимо контролировать содержание водорода в титане. Для ответственных конструкций массовая доля не должна превышать 0,006...0,004%. Содержание других примесей может быть выше: О₂—0,15%, N₂—0,05%.

Для сварки употребляется аргон марки А, прошедший допол­нительную очистку (см. гл. 9). Предпочтительно сварку вести неплавящимся электродом. (W), тщательно организуя газовую защиту сварочной зоны. Для сварки титана надо защищать не только саму ванну, но и весь металл, нагретый до температуры 773 К, т. е. необходимо создавать атмосферу аргона перед дугой и обдувать аргоном кристаллизующийся и остывающий шов. Кроме того, аргон подают снизу для защиты обратной поверх­ности свариваемого изделия (обратная сторона шва).

Сварку особо ответственных конструкций и изделий выполня­ют в камерах с контролируемой атмосферой. В этом случае изделие помещают в камеру, целиком заполненную аргоном, и весь процесс ведут с помощью манипуляторов. В редких случаях создают «обитаемые» камеры, в которых оператор работает в скафандре и с кислородной маской. В камерах получаются хоро­шие результаты, так как воздушная атмосфера вытеснена пол­ностью продувкой аргоном.

При сварке меди и ее сплавов получение качественного шва — без пор, с требуемыми физическими свойствами — весьма затруднительно. Это связано с наличием в исходном металле закиси меди и высокой склонности меди к поглощению водорода. Возможна сварка меди и ее сплавов в защитных газах — аргоне и гелии, а также в азоте, который по отношению к этому металлу является инертным газом. Сварку ведут неплавящимися элек­тродами — вольфрамовым и угольным (не для всех марок меди) на постоянном токе прямой полярности с подачей присадочной проволоки.

Аргонно-дуговая сварка меди осуществляется с применением

специального флюса, содержащего в качестве раскислителей ферромарганец, ферросилиций, феррофосфор, ферротитан. В тех случаях, когда к наплавленному металлу предъявляются повы­шенные требования, в качестве раскислителей используют ред­коземельные металлы. Флюс наносят на присадочную проволоку или в канавку на подкладке под корень шва.

При сварке меди применяют также смеси аргона с азотом [(20...30%) N₂], что повышает тепловую мощность сварочной ду­ги, а также аргона с гелием.

В том случае, когда в качестве защитного газа используют азот, особые требования предъявляются к его чистоте по отно­шению к кислороду. Эта вредная примесь может повысить окисленность металла шва и существенно снизить стойкость вольфрамового электрода.

Медь и ее сплавы можно сваривать в азоте угольным элек­тродом на графитовой или асбестовой подкладке. Оптимальные условия азотно-дуговой сварки меди разработаны во ВНИИ-автогенмаше.