Назначение сварочных материалов

НАЗНАЧЕНИЕ СВАРОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

При сварке плавлением монолитное, неразъемное сварное соединение получается в результате расплавления либо кромок свариваемого металла, либо кромок и дополнительного присадочного металла с образованием общей металлической сварочной ванны и последующей кристаллизацией этой ванны после прекращения действия теплоты источника нагрева. В большинстве случаев сварку проводят с введением присадочного металла в виде проволок, стержней, пластин и т. п., электрически связанных с источником теплоты (дуговая сварка плавящимся электродом, электрошлаковая сварка) или вводимых независимо (дуговая сварка неплавящимся электродом, электронно-лучевая, плазменная сварка).

Физико-металлургические процессы, протекающие при сварке (па торце электрода, в дуге, ванне), должны обеспечить металл шва такого химического состава, при котором были бы получены необходимые его свойства: отсутствие дефектов (трещин, пор и др.), равнопрочность с основным (свариваемым) металлом и другие свойства, определяемые условиями его работы. Этого можно достичь легированием металла шва присадочным металлом, покрытием, флюсом либо применением особых методов защиты зоны сварки (защитных газов, вакуума) при сварке без добавочных материалов.

Присадочный металл и другие вещества, используемые при сварке плавлением с целью получения непрерывного, неразъемного соединения, удовлетворяющего определенным требованиям, принято называть сварочными материалами.

К сварочным материалам относят сварочную проволоку, присадочные прутки, порошковую проволоку, плавящиеся покрытые электроды, неплавящиеся электроды, различные флюсы, защитные (активные и инертные) газы.

Указанные материалы должны обеспечить требуемые геометрические размеры и свойства сварного шва; хорошие технологические условия ведения процесса сварки; высокую производительность и экономичность процесса; необходимые санитарно-гигиенические условия труда при их производстве и сварке.

Это достигается тем, что сварочные материалы участвуют:

а) в защите расплавленного металла в зоне протекания металлургических процессов, а в некоторых случаях и нагретого твердого металла от вредного действия атмосферного воздуха (насыщения его газами атмосферы) в течение всего процесса сварки- в процессе расплавления, переноса в дуге, пребывания в сварочной ванне, кристаллизации;

б) в регулировании химического состава металла шва путем ого легирования и раскисления;

в) в очистке (рафинировании) металла шва - удалении серы, фосфора, включений окислов и шлаков;

г) в очистке металла шва от водорода и азота;

д) в ряде случаев в модифицировании, измельчении первичной структуры шва.

Присадочный металл (в виде сварочной, электродной или присадочной проволоки, стержня электрода), имеющий определенный химический состав, и дополнительные сродства (в виде толстого покрытия на электроде, флюса или защитного газа либо порошка в порошковой проволоке) в комплексе обеспечивают газовую, шлаковую или комбинированную газошлаковую защиту зоны сварки от воздуха, стабилизацию горения дуги, раскисление и легирование металла шва, очистку его от вредных примесей и газов и предотвращают образование в нем трещин и т.п.

Следовательно, при сварке осуществляется сложная физико-химическая обработка электродного и основного металла, происходящая в газовой и шлаковой фазах и завершающаяся в сварочной ванне, что приводит к образованию шва нужного состава с требуемыми свойствами; эту обработку обычно называют металлургическими или физико-металлургическими процессами сварки.

Присадочный (дополнительный) металл обычно требуется для получения шва с необходимыми геометрическими размерами, так как в большинстве случаев расплавление только кромок основного металла не обеспечивает получение усиления шва и заполнение зазора и разделки кромок (если она есть). Если дополнительный металл в процессе сварки расплавляется в виде сварочной (электродной) проволоки, стержней и т.д., включенных в сварочную цепь, он обычно называется электродным, а если он не включен в сварочную цепь, - присадочным.

3акристаллизовавшийся металл шва состоит из смешанных в жидком состоянии (в сварочной ванне) расплавленных основного и присадочного металлов, Поэтому доли их участия определяют по исходной конфигурации кромок до расплавления и конечным геометрическим размерам шва.

Рис. 1.  Определение доли участия металла в формировании шва

Площадь поперечного сечения шва

F_ш=F_пр+F_н,

где F_пр и F_н - площади поперечного сечения расплавленных основного и дополнительного металлов, см²; F_н обычно называют площадью поперечного сечения наплавленного металла.

Доля участия наплавленного металла в формировании шва образовании шва (рис. 1, а)

γ_о=F_пр/(F_пр+F_н).

Соответственно доля участия наплавленного металла в образовании шва

γ_н=F_н/(F_пр+F_н).

При этом γ_о+γ_н=1, а γ_н=1-γ_о,. Величины F_пр и F_н , γ_о и γ_н непосредственно зависят от метода и режима сварки, формы подготовки кромок и определяются расчетом по эмпирическим формулам или графикам.

Содержание рассматриваемого элемента в металле шва определяется па основании правила смешения по формуле

[X]_ш=γ_о[X]_о.м+(1 - γ_о) [X]_э±ΔХ,

где [Х]_ш, [X]_о.м, [X]_э - концентрация рассматриваемого элемента соответственно в металле однослойного шва, основном и электродном металлах; ΔХ - обобщенное изменение данного элемента в составе основного и электродного металлов вследствие неизбежного взаимодействия расплавленного металла с окружающей средой - газами и шлаками.

При многослойной сварке, когда последующий валик (рис. 1, б) накладывают в разделке на основной металл (F_o.м) и предыдущий валик (F_n-1), их долю в образовании металла n-ro валика также следует учитывать. В этом случае площадь поперечного сечения шва

F_ш=F_о.м+F_n-1+F_н

Соответственно доли участия каждого компонента в формировании шва

γ_о.м=F_о.м/F_ш; γ_n-1=F_n-1/F_ш; γ_н=F_н/F_ш.

Если свариваются разнородные металлы, значительно различающиеся по химическому составу, участие их в формировании шва учитывается следующим образом:

F_о.м =F_о.м1+ F_о.м2;

F_ш =F_о.м1+ F_о.м2+F_n-1+F_н.

Соответственно доля их участия в формировании шва

γ_о.м1=F_о.м1/F_ш;γ_о.м2=F_о.м2/F_ш.

Содержание рассматриваемого элемента в металле n-гo шва

[X]_м.ш=γ_о.м[X]_о.м+ γ_n-1[X]_n-1 (1-γ_о.м-γ_n-1)[X]_э±ΔХ.