§ 73. Металлургия сварки под флюсом

Флюсы для автоматической и полуавтоматической сварки по способу производства разделяются на плавленые и не плавленые (керамические). Плавленые флюсы - это искусственно приготовленные силикаты сложного состава с добавкой фтористых солей, сплавленные в электрических или пламенных печах и измельченные после сплавления в крупку до определенной грануляции. При сварке легированных сталей применяют флюсы, не содержащие кремнезема и построенные в основном на фтористых солях (CaF₂, NaF и др.) с добавлением прочных окислов (CaO, MgO, Аl₂O₃). Керамические флюсы - механическая смесь порошкообразных компонентов, связанных между собой раствором или спеканием и раздробленная в виде крупки до определенной грануляции.

При полуавтоматической и автоматической сварке сталей флюсы защищают жидкий металл в зоне дугового разряда от влияния кислорода и азота воздуха, химически воздействуют с жидким металлом, а также легируют сварочную ванну. Защитные свойства флюса зависят от его физического состояния (стекловидный или пемзовидный) и грануляции. В зависимости от химического состава флюса и сварочной ванны флюс либо вступает в химическое взаимодействие с жидким металлом, либо остается пассивным.

Флюсы - силикаты в своем составе имеют два типа окислов: основные и кислотные, поэтому носят основной или кислотный характер.

Основные флюсы обычно применяются при сварке легированных сталей, когда кремневосстановительный процесс отрицательно влияет на формирование сварного шва.

При сварке под флюсом имеется три фазы: шлаковая (флюсовая), газовая и металлическая. Между этими фазами в процессе горения сварочной дуги под флюсом происходят обменно-восстановительные реакции.

В наиболее горячей части сварочной ванны на границе раздела между металлической и шлаковой фазами протекает реакция (SiO₂) + 2Fe = 2(FeO) + [Si].

Круглые скобки О обозначают, что соединение находится в виде шлака, а квадратные [] - элемент растворен в расплавленном металле сварочной ванны.

Эта реакция протекает в том случае, если концентрация кремнекислоты во флюсе будет высокой при низкой концентрации закиси железа (FeO) в нем, и низкой концентрации кремния в сварочной ванне. Закись железа, образующаяся по приведенной реакции, преимущественно переходит в шлак и частично в металл, следовательно металл шва обогащается одновременно кремнием и кислородом (закисью железа). При этом следует отметить, что повышение кислотности флюса может привести к высокому содержанию в сварочной ванне кремния, который восстановился из флюса. Приведенная реакция имеет очень важное значение в тех случаях, когда производится сварка низкоуглеродистых кипящих сталей. Наличие кремния в жидком металле, восстановленного из флюса, не менее 0,2 %, позволяет ликвидировать и подавить развитие в кристаллизующейся части сварочной ванны реакции образования СО и получить плотный шов.

Отрицательной стороной реакции является засорение сварного шва силикатными включениями.

Наличие высокой концентрации закиси марганца (МnО) во флюсе и низкой концентрации закиси железа в нем, на границе между металлической и шлаковой фазами протекает реакция восстановления (окисления) марганца (МnО) + Fe_ж = (FeO) + [Мn].

Восстановлению марганца способствует высокая концентрация МnО во флюсе, повышение основности флюса и низкое содержание окислов железа во флюсе, следовательно, при малых концентрациях МnО во флюсе происходит окисление марганца, а при достаточно высокой концентрации его восстановление. Восстановление марганца из флюса содействует повышению концентрации закиси железа в системе металл - шлак и, следовательно, некоторому окислению жидкого металла в зоне плавления.

Развитию кремне- и марганцевовосстановительных реакций способствует тот флюс, который является химически активным к расплавленному металлу сварочной ванны. В этом случае происходит окисление углерода, при котором следует учитывать два обстоятельства:

1) окисление углерода, происходящее в высокотемпературной части сварочной ванны, приводит к раскислению жидкого металла;

2) окисление углерода, совершающееся в кристаллизующейся части сварочной ванны, способствует образованию пор в металле шва.

С целью погашения образования реакции окисления углерода в кристаллизующейся части сварочной ванны, необходимо в ней иметь определенное содержание кремния (не ниже 0,1%), позволяющее получить плотный шов.

В сварочных флюсах содержится некоторое количество (до 0,15%) серы, которая является одной из наиболее вредных примесей в металле шва. Сера, в зависимости от условий, переходит из флюса в металл, или наоборот. Благоприятные условия перехода серы в металл шва (сварочную ванну) бывают тогда, когда она находится во флюсе в виде сульфида железа - FeS, который хорошо растворяется в жидком железе. Во флюсах, имеющих высокое содержание марганца, сера бывает связана в сульфид марганца (MnS), которая плохо растворяется в железе. В сварочной ванне возможны следующие химические реакции (MnS) + Fe_ж = [FeS] + [Mn], (MnS) + [FeO] = [FeS] + [МnО]. Превращение MnS в FeS в сварочной ванне происходит тогда, когда созданы окислительные условия и наличие малой концентрации марганца в металле. Торможению процесса превращения MnS и FeS способствует высокая концентрация марганца в металле и закиси марганца (МnО) в шлаке.

Сульфид железа FeS является вредной примесью в металле шва. В период кристаллизации сульфид железа образует в междендритных пространствах легкоплавкую эвтектику FeS⋅Fe (температура плавления около 940°С), способствующую образованию горячих трещин.

В процессе сварки под высокомарганцовистыми флюсами фосфор переходит из флюса в металлическую ванну. Этот процесс происходит тем полнее, чем выше кислотность флюса. Содержание фосфора в металле шва снижает его ударную вязкость.

Находящаяся на поверхности свариваемых кромок ржавчина или окалина служит причиной возникновения пор в металле сварного шва.