Флюсы. Их определения, характеристики, свойства

Результаты сварки под флюсом сильно зависят от свойств и качества флюса. К флюсам для автоматической дуговой сварки предъявляются многочисленные и разнообразные требования. Флюс должен обеспечивать хорошее формирование наплавленного металла и сварного шва при высокой производительности сварки, надлежащие химический состав, структуру и высокую прочность наплавленного металла. В наплавленном металле не должно образовываться пор и в особенности трещин, устойчивость дуги должна быть достаточной, шлаковая корка должна легко удаляться с поверхности шва по окончании сварки.

При плавлении флюса не должны выделяться в большом количестве вредные газы и дым, особенно при сварке в тесных помещениях, внутри котлов и резервуаров и т.п. Флюс не должен быть слишком гигроскопичным; зерна его должны иметь достаточную механическую прочность, допускающую многократную подачу флюса к месту сварки и уборку нерасплавившейся части флюса без чрезмерного дробления зерен и образования большого количества пыли, снижающей качество сварки. Флюс засыпается на место сварки толстым слоем, 50-60 мм. В процессе сварки расплавляется лишь 20% флюса, образующего шлаковую корку, остальная, не расплавившаяся часть флюса, должна быть убрана и затем снова использована при сварке.

Современные флюсы для автоматической сварки разнообразны по назначению, составу и свойствам. Прежде всего флюсы можно разделить по способу изготовления на плавленые. и неплавленые.

Плавленые изготовляют сплавлением в печах; они представляют собой обычно более или менее сложные силикаты, по свойствам близкие к стеклам. В состав плавленых флюсов можно вводить лишь вещества, растворяющиеся в расплаве, не разлагающиеся и не улетучивающиеся при температуре выплавки флюсов; это в первую очередь окислы и галоидные соединения металлов. Роль плавленых флюсов ограничивается созданием шлаков, довольно пассивных в металлургическом отношении.

Неплавленные флюсы представляют собой механические смеси порошкообразных и зернистых материалов. В них можно вводить любые вещества, независимо от их взаимной растворимости на устойчивости при высоких температурах: свободные металлы, ферросплавы, углеродистые вещества, карбонаты и т.д. Поэтому неплавленные флюсы позволяют интенсивно проводить различные металлургические процессы легирования, раскисления, модифицирования, создавать защитную газовую атмосферу в зоне сварки и т.д. и являются мощным средством управления металлургическими процессами при сварке и их регулирования.

В настоящее время наша промышленность применяет преимущественно плавленые флюсы. После создания автором настоящей книги принципиально нового вида неплавленных флюсов, получивших название керамических, неплавленные флюсы находят все большее применение. Керамические флюсы начали применятьив других странах, в США они получили название "аггломерированные".

По характеру шлака различают флюсы кислые и основные. По содержанию во флюсах соединений марганца и кремния различают флюсы высоко - и низкомарганцовистые или соответственно кремнистые; по наличию или отсутствию фтора во флюсе - фтористые или бесфтористые и т.д.

По назначению различают флюсы для сварки низкоуглеродистых сталей, легированных спецсталей, цветных металлов, для наплавочных работ и т.п.

Сварка под флюсом отличается следующими металлургическими особенностями. Исходный металл, основной и электродный, обычно отличается достаточной чистотой и вполне удовлетворительным химическим составом. В процессе сварки низкоуглеродистой стали наиболее сильно испаряется и выгорает марганец; наплавленный металл окисляется с образованием закиси железа FeO. Поэтому флюс должен быть хорошо раскислен и совместно с электродной проволокой пополнять содержание марганца в ванне. Но и совершенно раскисленный флюс, т.е. не содержащий высших окислов марганца и окислов железа, в условиях сварки вступает в химическое взаимодействие с расплавленным металлом.

Наиболее важными реакциями являются восстановление окислов марганца и кремния флюса расплавленным железом, так называемый кремне - и марганцевосстановительный процесс:

MnO+Fe=FeO+Mn и SiOa+2Fe=2FeO+Si,

Эти реакции обогащают наплавленный металл кремнием и марганцем, но одновременно и закисью железа FeO, для удаления которой необходимо применять соответствующие меры, например поддерживать кислый характер шлака, что связывает FeO в силикат, нерастворимый в жидком металле. Повышение содержания марганца за счет плавленых флюсов практически никогда не бывает чрезмерным. Увеличение содержания кремния иногда превышает допустимые пределы, и приходится принимать меры к его снижению.

Физические свойства флюса не менее важны, чем его химический состав. Температура плавления флюса, как правило, не должна превышать 1200° С. Вязкость флюса в расплавленном состоянии должна быть незначительной. В большинстве случаев лучшие результаты обеспечивают флюсы, дающие при расплавлении короткий шлак.

Для уменьшения вязкости флюса и снижения его температуры плавления применяют специальные добавки: природный минерал - плавиковый шпат, по химическому составу представляющий собой почти чистый фтористый кальций CaF2. Однако при сварке он образует вредные газы, содержащие фтор, а также снижает устойчивость горения дуги.

Применяемые плавленые флюсы имеют стеклообразный вид, аморфны, частицы их полупрозначны; называются они стекловидными, или "флюс-стекло"; насыпной вес 1,5-1,8 г/см3. Иногда применяется пемзовидный флюс, или "флюс-пемза", имеющий насыпной вес 0,6-0,9 г/см3 и состоящий из непрозрачных мелкопористых частиц. Грануляция флюсов", т.е. размеры зерен, в разных случаях колеблется от 0,5 до 3 мм.

Чаще всего применяемые плавленые флюсы представляют собой искусственные силикаты, выплавляемые в печах, имеют слабо кислый характер и, по содержанию закиси марганца, относятся к высокомарганцовистым. Во флюсе различают основу, добавки, примеси и загрязнения. Основой флюса являются обычно двойной или тройной силикат закиси марганца, окиси кальция, окиси магния, алюминия и т.д.лS. качестве добавки, снижающей температуру плавления и вязкость-, чаще всего используется плавиковый шпат. Из примесей и загрязнений, попадающих во флюс вместе с исходными материалами и топливом, а также из футеровки печей, наиболее важны закись железа, окись алюминия А12О3, сера и фосфор. Все эти примеси и загрязнения вредны для флюса, и их предельное содержание ограничивается техническими условиями. Составы плавленых флюсов в процентах для автоматической дуговой сварки низкоуглеродистой стали электродной проволокой Св-08 или Св-08А по ГОСТу 2246-60. Флюсы производятся нашей промышленностью в больших количествах и являются наиболее распространенными; они относятся к высокомарганцовистым.

Безмарганцовистые флюсы при сварке низкоуглеродистой стали в настоящее время не применяются. Получить удовлетворительные результаты сварки низкоуглеродистой стали под среднемарганцовистыми флюсами можно лишь пользуясь специальной электродной проволокой с повышенным содержанием марганца. Применение среднемарганцовистых флюсов весьма незначительно.

Одним из лучших и широко применяемых в нашей промышленности является высокомарганцовистый флюс ОСЦ-45, разработанный К.В. Любавским. Это силикат марганца MnOSiO2, к которому для снижения температуры плавления и вязкости и для улучшения технологических свойств добавлен при выплавке фтористый кальций (остальное случайные примеси и загрязнения). Флюс обладает высокой жидкотекучестью и малой вязкостью при температуре плавления стали. Вследствие высокого содержания закиси марганца этот флюс можно применять при сварке низкоуглеродистых сталей стандартной низкоуглеродистой электродной проволокой; при этом швы получаются высокого качества. Флюс ОСЦ-45 менее чувствителен, чем другие плавленые флюсы, к отклонениям в химическом составе основного металла, электродной проволоки и самого флюса, а также к ржавчине, содержащейся на поверхности основного металла, что практически очень ценно. * К недостаткам флюса можно отнести высокое содержание фтора, могущее вызвать отравление работающих при сварке в замкнутых пространствах (внутри котлов, резервуаров и т.п.), и также снижающее устойчивость дуги.

Флюс АН-348, разработанный в Институте электросварки им. Е.О. Патона, обеспечивает несколько большую устойчивость дуги по сравнению с флюсом ОСЦ-45. Еще выше устойчивость дуги при сварке под флюсом АН-348-А, выделяющем также меньше вредных газов при работе ввиду пониженного содержания. CaF2. Флюсы ОСЦ-45 и АН-348 производятся промышленностью в больших количествах.

Плавленые флюсы производятся следующим путем. Составные части флюса - марганцевая руда, кварцевый песок, плавиковый шпат и т.д. - смешивают в измельченном состоянии в нужном соотношении и загружают в плавильную печь (электрическую дуговую или стеклоплавильную пламенную). По расплавлении шихты и получении однородности жидкий продукт при температуре около 1400° С впускается тонкой струей в грануляционный бак с проточной водой, где распадается на отдельные зерна и затвердевает в аморфной стекловидной форме без кристаллизации. Затем флюс сушат, дробят на вальцах и пропускают через два сита, имеющие, например, первое 16 отверстий на 1 см2, а второе 600 отверстий на 1 см2. Остаток на втором сите представляет собой готовый продукт; остаток на первом сите поступает на повторное дробление. Материал, прошедший через второе сито, идет в шихту для последующих плавок. Химический состав готового флюса должен соответствовать установленному техническими условиями, что проверяется анализом проб.

2.3.1 Керамические неплавленные флюсы

Главной особенностью керамических флюсов является способ их изготовления, во многом сходный со способом изготовления качественных покрытий электродов для ручной сварки, описанным выше.

Составные части флюса тонко измельчаются, смешиваются в нужных соотношениях и замешиваются на водном растворе жидкого стекла в густую пасту, как для покрытия электродов способом опрессовки. Сырая масса гранулируется, т.е. превращается в зерна размером 1-3 мм, затем подсушивается, прокаливается 2 ч при температуре 300-400° С для удаления остатков влаги и повышения механической прочности зерен за счет реакции схватывания жидкого стекла с частицами флюса. Прокаливанием заканчивается изготовление керамического флюса, не требующего плавильных печей и больших затрат горючего или электроэнергии на процесс плавления Средний насыпной вес керамических флюсов около 1,0 г/см3. Каждое зерно керамического флюса состоит из многих тысяч мелких частиц, смешанных в надлежащих соотношениях и прочно скрепленных.

Керамические флюсы не имеют тех основных недостатков, которые присущи обычным неплавленным флюсам. Механически прочные зерна необходимого размера обеспечивают достаточную газопроницаемость слоя флюса и не выдуваются газами дуги. Прочное склеивание частиц устраняет возможность сепарации и сегрегации отдельных частиц и изменения состава флюса при подаче в зону сварки и уборке, что является одним из главных недостатков неплавленных флюсов. Тонкое измельчение составных частей обеспечивает их полное сплавление и протекание металлургических реакций, как и в электродных покрытиях.

К недостаткам керамических флюсов по сравнению с плавлеными относится меньшая механическая прочность и большая гигроскопичность зерен флюса. Керамические флюсы открыли новые возможности для автоматической дуговой сварки и значительно расширили область ее применения.

Для создания шлака в состав керамических флюсов вводятся различные минеральные вещества. Принципиальным, очень важным преимуществом керамических флюсов является возможность введения в них веществ, разлагающихся при высоких температурах с образованием газов, защищающих зону сварки. Для этой цели вводят карбонат кальция СаСО3 в форме мрамора, разлагающийся при высоких температурах с образованием двуокиси углерода. В процессе сварки особенно важно раскисление металла. Для этой цели в керамические флюсы вводят такие сильные раскислители, как металлические титан, кремний, иногда алюминий. При этом часто попутно удается удалить большую часть серы, снизив ее содержание до нескольких тысячных долей процента, для чего шлаку придается основной характер за счет повышения содержания в нем окиси... кальция... СаО.

Керамические флюсы открывают широкие возможности легирования наплавленного металла через флюс для придания наплавленному металлу особых свойств. Керамические флюсы сокращают потребление дорогой легированной сварочной проволоки; в большинстве случаев достаточно легирования через флюс с применением дешевой низкоуглеродистой проволоки Св-08. Легирование возможно осуществлять всеми элементами, в том числе углеродом, что сложно в других случаях. Керамические флюсы позволяют модифицировать наплавленный металл, т.е. улучшать его структуру. Наплавленный металл при затвердевании в процессе первичной кристаллизации часто приобретает крупнозернистую дендритную структуру, в форме длинных кристаллов, вытянутых в направлении отвода тепла при затвердевании, нормально к поверхностям охлаждения. В область встречи дендритов, растущих от противоположных сторон ванны, вытесняются загрязнения металла, в связи с чем прочность металла здесь снижается, легко образуются горячие трещины; область получила название "зона слабины" а самое явление стыка дендритов называется транскристаллизацией. Наступающая при дальнейшем охлаждении стали вторичная кристаллизация, вызываемая распадом аустенита, часто маскирует и делает малозаметной первичную дендритную структуру, которая может быть выявлена лишь специальным глубоким травлением. В неудовлетворительной первичной структуре часто кроется причина пониженных механических свойств наплавленного металла. Модификацией уничтожается дендритная структура, уже в процессе первичной кристаллизации металл затвердевает с образованием равноосных мелких зерен. Такой металл обладает высокими механическими свойствами. Для модификации пригодны мельчайшие неметаллические включения, служащие центрами кристаллизации, и поверхностно-активные вещества, меняющие поверхностное натяжение металла. Хорошим модификатором в условиях сварки является титан. Модификация осуществляется при сварке электродами с качественным покрытием и под керамическими флюсами. При сварке под плавлеными флюсами модификация обычно выражена слабо, когда модификатор, например титан, вводится в состав электродной проволоки. Интенсивная модификация металла с получением мелкозернистой равноосной структуры при первичной кристаллизации является преимуществом керамических флюсов. Необходимые элементы для раскисления, легирования и модифицирования металла обычно вводят в керамические флюсы, как и в электродные покрытия, в виде ферросплавов.

Преимуществом керамических флюсов для сварки низкоуглеродистых сталей является малая чувствительность к ржавчине и различным загрязнениям поверхности металла, что позволяет снизить требования к очистке поверхности, проводить сварку на открытом воздухе в сырую погоду; при этом получается плотный металл без пор с высокими показателями механических свойств.

Для сварки низко - и среднелегированных конструкционных сталей высокой прочности разработана серия специальных керамических флюсов для производства ответственных изделий. Керамические флюсы также применяются для сварки высоколегированных сталей, например для аустенитных хромоникелевых нержавеющих и жароупорных сталей. В этом случае необходима уже легированная аустенитная проволока. Керамический флюс производит лишь необходимое дополнительное легирование. При сварке нержавеющих сталей достигается высокая стойкость зоны сварки против межкристалической коррозии.

Известно успешное применение керамических флюсов для сварки меди, никеля и их сплавов, для наплавочных работ автоматическая и полуавтоматическая наплавка производится низкоуглеродистой сварочной проволокой с применением легирующих керамических флюсов, содержащих повышенное количество ферросплавов

Функциональная схема процесса ультразвуковой сварки

При этом способе сварки электрическая дуга горит под зернистым сыпучим материалом, называемым сварочным флюсом

Под действием тепла дуги расплавляются электродная проволока и основной металл, а также часть флюса. В зоне сварки образуется полость, заполненная парами металла, флюса и газами. Газовая полость ограничена в верхней части оболочкой расплавленного флюса. Расплавленный флюс, окружая газовую полость, защищает дугу и расплавленный металл в зоне сварки от вредного воздействия окружающей среды, осуществляет металлургическую обработку металла в сварочной ванне. По мере удаления сварочной дуги расплавленный флюс, прореагировавший с расплавленным металлом, затвердевает, образуя на шве шлаковую корку. После прекращения процесса сварки и охлаждения металла шлаковая корка легко отделяется от металла шва. Не израсходованная часть флюса специальным пневматическим устройством собирается во флюсоаппарат и используется в дальнейшем при сварке.

Дата добавления: 2015-05-06