Защитные среды

Большинство металлов и сплавов при сварке плавлением взаимодействуют с окружающей атмосферой. Особенно активно реагирует расплавленный металл. Менее подвержены этому закристаллизовавшийся металл шва и металл в зоне термического влияния. В результате взаимодействия с окружающей средой происходит окисление металла, а также растворение в нем азота и водорода. Это приводит в подавляющем большинстве случаев к ухудшению свойств металла шва и сварных соединений.

При сварке плавлением необходима защита металла от контакта с воздухом. Применяется шлаковая, газовая и комбинированная защитные среды.

Особенность шлаковой защиты заключается в возможности металлургической обработки расплавленного металла. Для этого выбирают флюсы и покрытия, образующие шлаки с определенными физико-химическими свойствами. Шлаки условно можно разделить на две группы: активные и пассивные. Активные шлаки наряду с защитой осуществляют и металлургическую обработку металла сварочной ванны (раскисление, связывание серы и фосфора, легирование). Пассивные шлаки осуществляют в основном защитные функции.

Для сварки сталей используют шлаки различных систем. В большинстве из них как обязательная составляющая, оказывающая влияние на физические свойства шлака, присутствует фтористый кальций CaF2. Наибольшее распространение получили силикатные шлаки, содержащие MnO, FeO, CaO, MgO, А12О3 и др. Соотношение оксидов в шлаках для сварки различных сталей изменяется. Уменьшение в шлаке концентрации активных оксидов (FeO, MnO, SiО2) и повышение в них содержания прочных оксидов (CaO, MgO, А12О3 и др.) приводит к снижению окислительной способности системы по отношению к большинству легирующих элементов, присутствующих в сварочной ванне. Для сварки легированных сталей применяют безокислительные и бескислородные шлаковые системы. В первом случае шлаки построены на основе прочных оксидов и фтористого кальция, во втором — на основе фторидов (CaF2 — NaF).

Для сварки алюминия, магния, титана и их сплавов используют флюсы, образующие бескислородные шлаковые системы. Для титана — на основе CaF2 — NaF с небольшими добавками хлоридов; для алюминия — на основе хлористых (NaCl, KG, LiCl и др.) солей с добавками фторидов (NaF, KF, LiF, Na2, A1F6), для магниевых сплавов — на основе фторидных соединений (KF, NaF, BaFa и др.) эвтектического состава.

Для сварки меди и медных сплавов применяют флюсы и электродные покрытия, образующие шлаковые системы, основу которых составляют бораты: бура Na2B4О7- 10Н2О и борная кислота Н3ВО3. В другие шлаковые системы эти соединения входят в виде добавок.
Для производства флюсов, покрытых электродов и порошковых проволок используют исходные материалы (руды, кварцевый песок, рутил, каолин, мрамор, фтористые и хлористые соли и другие компоненты), отвечающие специфическим требованиям (регламентируемым стандартами), предъявляемым к сварочным шлаковым системам. В подавляющем большинстве компоненты должны быть недорогими и очищены от вредных примесей (серы, фосфора и др.). Особенно высокая чистота требуется для шлаков, используемых при сварке титана и его сплавов и других активных металлов.

Для сварки и наплавки в основном применяют плавленые и реже неплавленые (керамические) флюсы. Несмотря на большое количество флюсов, используемых при сварке и наплавке различных металлов, общий стандарт на них пока не разработан, ГОСТ 9087—81 регламентирует требования к плавленым флюсам для сварки сталей.

На электроды для сварки сталей имеется несколько стандартов: ГОСТ 9466—75 отражает классификацию электродов, общие технические требования к ним, размеры и назначение.

По назначению электроды подразделяются на группы: У — для сварки углеродистых и низколегированных конструкционных сталей с σв < 600 МПа; Л — для сварки легированных конструкционных сталей с σв > 600 МПа; Т — для сварки легированных теплоустойчивых сталей; В — для сварки высоколегированных сталей с особыми свойствами; Н — для наплавки поверхностных слоев с особыми свойствами.

По видам покрытия электроды различают: А — с кислым покрытием; Б — с основным покрытием; Ц — с целлюлозным покрытием; Р — с рутиловым покрытием; П — с покрытием прочих видов.

При наличии в составе покрытия железного порошка более 20 % к обозначению вида покрытия добавляется буква «ж».

Наряду с этим покрытые электроды классифицируют по толщине покрытия, допустимым пространственным положениям, назначению и другим признакам.

Для сварки конструкционных и теплоустойчивых сталей выпускают электроды по ГОСТ 9467—75. Типы электродов Э38, Э42, Э50 ... Э125 и Э150 предназначены для сварки углеродистых и низколегированных сталей. Цифра обозначает среднее значение σв в кг/мм2 металла шва. В электродах типа Э70, Э85,      Э150 указаны значения σв после улучшающей термообработки.

Типы электродов Э-09М, Э-09МХ, Э-10Х1М1НФ5 и другие предназначены для сварки теплоустойчивых сталей.

Покрытые электроды для сварки высоколегированных сталей с особыми свойствами регламентированы ГОСТ 10052—75. Типы электродов по этому ГОСТу в маркировке также содержат состав получаемого металла. Например, электроды для сварки мартенситных и мартенситно-ферритных сталей (Э-12Х11НМФ, Э-06Х133 и др.), ферритных (Э-10Х17Т, Э-10Х25НВГ2Б и др.), аустенитных (Э-04Х20Н9, Э-10Х20Н9Г6С, Э-06Х25Н40М7Г2 и др.).

Стандарт (ГОСТ 10051—75) устанавливает типы покрытых электродов для наплавки стальных поверхностных слоев с особыми свойствами. Предусмотренные 44 типа электродов охватывают многочисленные требования к наплавленным поверхностям. Обозначения типов электродов для наплавки аналогичны, например, Э-10Г2, Э-30Г2ХМ, Э-95Х7Г5С и др.

Покрытые электроды для сварки и наплавки чугуна, цветных и других металлов государственными стандартами не регламентированы. Такие электроды изготовляют по техническим условиям.

При газовой защите в связи с отсутствием шлаков возможности для металлургической обработки ограничены. Раскис-лители или легирующие элементы вводят в ванну только за счет сварочной проволоки. Различают защиту инертными и активными газами, а также в вакууме.

Защита инертными газами целесообразна при сварке металлов и сплавов с законченной металлургической обработкой, отличающихся высокой чистотой. В качестве инертных газов при сварке используют аргон и гелий. Наибольшее распространение получил аргон. Его получают из воздуха. Гелий относится к дефицитным и дорогостоящим газам. Его производство из природных газов представляет значительные трудности.

Аргон и гелий по-разному влияют на защиту металла при сварке и на формирование шва. Аргон, обладая более высокой плотностью по сравнению с гелием, позволяет осуществлять более надежную защиту. При сварке с защитой гелием улучшается формирование шва благодаря снижению поверхностного натяжения расплавленного металла.

Аргон для сварки выпускают согласно стандарту высшего, первого и второго сорта. Аргон высшего сорта целесообразно применять для сварки особенно активных к газам металлов — титана, циркония, тугоплавких металлов и их сплавов. Аргон первого сорта предназначен в основном для сварки алюминия и его сплавов; второго сорта — для сварки легированных сталей. Транспортируют и хранят аргон в баллонах вместимостью 40 л под давлением 15 МПа. Перспективно потребление жидкого аргона.

Гелий специально для сварки не выпускают. По количеству примесей для сварки пригоден гелий высокой чистоты и технический.
Из активных газов наибольшее применение для защиты металла при сварке получил углекислый газ. В отдельных случаях для создания защитной среды используют водород, азот и водяной пар. Углекислый газ относится к окислительным. Поэтому его в основном применяют для сварки низкоуглеродистых и низколегированных сталей. Назначение его состоит в защите расплавленного металла от азота воздуха.

Углекислый газ обычно получают как побочный продукт (обжиг известняка, брожение и др.). Поэтому он — недефицитный газ. Качество углекислого газа оказывает большое влияние на свойства сварного шва. Необходимо применять сварочную углекислоту, содержащую СО2 > 99,5—99,0 %, а водяных паров не более 0,17—0,5 г/м3.

Хранят и транспортируют углекислый газ в баллонах вместимостью 40 л. Газ находится в баллоне в жидком состоянии под давлением до 7,5 МПа. При отборе из одного баллона получают около 12 м3 газа. На заводах с большим потреблением углекислого газа организовано централизованное питание сварочных постов. Для этой цели применяют газификаторы по переработке жидкого или твердого газа. Особенность потребления углекислого газа — увеличение в нем влаги по мере отбора. Исходя из этого полный отбор газа из баллона или газификатора не рекомендуется .

Водород в основном применяют как добавку к другим газам. Может быть использован технический водород, выпускаемый по ГОСТ 3022—80, или более чистый (по техническим условиям).

Азот в качестве защитного газа самостоятельного значения почти не имеет. Его применяют в виде добавок к другим газам.

Для этих целей пригоден технический азот, выпускаемый по ГОСТ 9293—74, или более высокой чистоты (по техническим условиям).
К качестве защитных газовых сред применяют также смеси аргона с гелием, водородом, азотом, углекислым газом и кислородом.
Вакуум можно рассматривать как защитную среду с ограниченным парциальным давлением кислорода, азота и других примесей при общем пониженном давлении над сварочной ванной.