Металлургические процессы сварки электро­дами с покрытием кислого вида рассмотрим на примере сварки электродами ЦМ-7, покрытие которых содержит 33 % гематита, 32 % гранита, 30 % ферромарганца, 5 % крахмала (или целлюлозы) и жидкого стекла 25— 30 % от массы сухой смеси. При сварке гематит расплав­ляется и будет взаимодействовать с жидким железом капли в момент ее образования на конце электрода по реакции:

Fe203 + Fe - 3FeO; (67)

жидкий металл будет обогащаться кислородом за счет оксида железа (II) из шлака. При этом существует прямая зависимость между содержанием оксида железа (II)

в шлаке її его содержанием в шве (рис. 55). Ферромарга­нец, введенный в покрытие, предназначен раскислить металл шва:

Fe.,03 + ЗМп = ЗМпО + 2Fe + Q; Fe203 - Ь 2Mn = 2MnO - f 2Fe - f Q.

Восстановление железа и тепло, выделяющееся при окислении марганца, обеспечивают при сварке элек­тродами ЦМ-7 высокий коэф­фициент наплавки, равный 10—11 г/(А*ч).

Наряду с Fe203 в покры­тии также имеется некоторое количество Si02, которое в связи с большой концентра­цией частично восстанавли­вается

SiOa + 2Mn = 2MnO + Si.

(70)

Интенсивному протека­нию этой реакции препятст­вует высокая концентрация окиси железа (II): содержа­ние кремния в металле шва составляет около 0,1 Vo, а марганца 0,75—0,8 %. Кон­центрация кремния и марганца достаточна для подавле­ния реакции окисления углерода в задней кристаллизую­щейся части сварочной ванны и создания препятствия к образованию пор за счет оксида углерода (II).

Металлургические процессы сварки электродами с по­крытием основного вида рассмотрим на примере сварки электродами УОНИ-13, содержащими мрамор, плавико­вый шпат, ферромарганец, ферросилиций, ферротитан, кварцевый песок и жидкое стекло.

При сварке под воздействием теплоты дуги происходит диссоциация мрамора но реакции (45), и расчетное коли­чество СО.,, отнесенного к нормальной температуре и давле­нию, составит 30—45 см:* газа при сгорании 1 см длины электрода. Углекислый газ за счет ранее указанных рас - киелгпелей при температуре 700 °С и выше восста­

навлнвается в значительной степени до СО по реак­циям:

С02 - f Mn = АпО + СО; (71)

2С02 -f Si = Si02 + 2СО; (72)

2С02 4- Ті = ТіОо 4- 2СО, (73)

і

но часть СО остается невосстановленной, и газовая фаза во всем температурном интервале зоны сварки будет иметь окислительный характер по отношению к жид­кому металлу, в то время как окисляющее действие шлака незначительно. Благодаря образованию пленки шлака на каплях (при их переходе в шов) и на поверхности сварочной ванны, а главное в связи с наличием большого количества раскпслителей в наплавленном металле со­держание кислорода будет невелико: не превышает его содержания в электродной проволоке.

Имеющийся в покрытии плавиковый шпат способен связывать водород по реакции (44), а присутствие в по­крытии Si02 приводит к образованию тетрафторида крем­ния:

2CaF2 4 3Si02 = 2CaSi03 4- SiF4. (74)

Образовавшийся тетрафторид кремния улетучивается, переходя в газовую фазу, где он взаимодействует с ато­марным водородом или парами воды:

SiF4 4- ЗН - SiF 4- 3HF; (75)

SiF4 4- 2НоО = Si02 4- 4HF (76)

и тем самым способствует уменьшению количества водо­рода в металле шва.

Значительная концентрация марганца в сварочной ванне способствует десульфации металла, а большое со­держание в шлаке СаО наряду с десульфацией способ­ствует удалению из металла фосфора. Содержание серы и фосфора в наплавленном металле не превышает 0,035 % каждого и это делает швы, выполненные электродами этой группы, малочувствительными к кристаллизацион­ным трещинам. По установлено, что небольшое содержа­ние кислоро ці 15 сварочной ванне уменьшает вероятность взаимодействия кислорода с растворенным в металле водородом:

(77)

(78)

Поэтому содержание растворенного в металле водорода настолько велико, что при наличии ржавчины на свари­ваемых кромках, повышенной влажности покрытия и сварке длинной дугой приводит к порам в шве, несмотря на эффективное удаление Еодорода за счет плавикового шпата, имеющегося в покрытии.

Металлургические процессы при сварке электродами с рутил о в ы м покрытием рассмотрим на при­мере сварки электродами АНО-4с (см. форму 1). Газовая защита в покрытии ЛПСМс осуществляется за счет раз­ложения магнезита

MgCOa = MgO + СО* (79)

и окисления целлюлозы. Поэтому в газовой фазе наряду с С02 имеются продукты окисления целлюлозы, которые и обеспечивают газовую защиту. Мусковит, например, обеспечивает устойчивое горение дуги и шлаковую за­щиту. Остальные составляющие покрытия выполняют функции, аналогичные этим же материалам в ранее рас­смотренных видах покрытий.

Металлургические процессы при сварке электродами с органическим покрытием рассмотрим на примере элек­тродов типа Э42 марки ВСЦ-4. Покрытие этого типа со­держит до 50 % органических составляющих (пищевая мука, целлюлоза, крахмал и др.), которые при разложе­нии в дуге создают газовую защиту расплавленного ме­талла. Коэффициент покрытия составляет 0,1—0,15. Вы­деляющиеся при сварке газы содержат большое количе­ство водорода. Во избежание насыщения металла шва водородом при сварке необходимо повышать степень окис­лен пости сварочной ванны, для чего в покрытие вводят титановый концентрат (Ti02*FeO) и марганцевую руду (Мп02), которые выполняют также и функции шлаковой защиты. Раскислителем служит ферромарганец. Весьма полезно введение в покрытие плавикового шпата (CaF3), который при наличии Si02 и ТЮ2 в зоне высоких тем­ператур приводит к образованию SiF4 и TiF4, связывающих водород в не растворимое в металле соединение HF, и тем самым уменьшают содержание водорода в сварочной ванне.

Предупрежден не пористости, связанной с выделением оксида углерода (И) в стадии кристаллизации сварочной ванны, достигается введением в состав покрытия ферро­силиция.

зоны сварки от окружающего воздуха происходит более эффективно, что подтверждается содержанием азота. При сварке тонкопокрытыми электродами содержание азота в металле шва составляет 0,12—0,2 %, при сварке тол- стопокрытыми электродами 0,013—0,030 %, а под плавле­ным флюсом 0,008 %.

Имеется ряд особенностей металлургических процес­сов при сварке под флюсом. Особенно интенсивно проте­кают металлургические процессы между жидким флюсом и металлом, в результате которых изменяется состав металла шва. Сварка низкоуглеродистой стали под мар­ганцовистыми высококремнистыми флюсами характери­зуется протеканием в высокотемпературных участках зоны сварки следующих кремнемарганцевосстановитель - ных реакций:

2Fe + SiO* 2FeO + Si; Fe + MnO ^ FeO + Mn.

Также имеет место окисление углерода, содержащегося в сварочной проволоке и основном металле по реакции (50). Образующийся в высокотемпературном участке сварочной зоны оксид железа (И) частично растворяется в жидком металле сварочной ванны, частично переходит в шлак.

На участках сварочной ванны позади дуги при пониже­нии температуры жидкого металла, вплоть до затверде­ния, имеет место раскисление металла. При температурах, близких к затвердению металла ванны, кремний и мар­ганец подавляют реакцию окисления углерода, что умень­шает вероятность образования пор. При недостаточном содержании во флюсе кремнезема усиленно выгорает углерод, и в шве могут образоваться поры. Следовательно, при сварке ннзкоуглеродистой стали сварочной проволо­кой с малым содержанием кремния, чтобы избежать об­разования пор за счет окисления углерода, следует при­менять высококремнпетый флюс.

Благодаря протеканию реакций (80), (81) металл шва обогащается кремнием и марганцем, а содержание угле­рода окажется несколько меньше исходного. Обогащение металла шва марганцем важно еще и потому, что он обеспечивает десульфацию металла шва, предупреждая тем самым горячие трещины. Исследования показали, что для предупреждения образования горячих трещин в ме­талле шва при сварке под флюсом низкоуглеродистых сталей в шве должно быть не менее 0,6—0,8 % марганца.

В плавленые флюсы сера п фосфор попадают из исход­ных материалов, например из марганцевой руды. Если во флюсе имеются оксиды фосфора, то фосфор легко вос­станавливается при сварке и переходит в металл шва. Переход фосфора из кислых высокомарганцовистых флю­сов протекает по следующей реакции:

(МпО)з-Р206 + llFe = ЗМпО + 2Fe3P + 5FeO — Q. (82j

При этом переход фосфора и серы из флюса в шов зависит от содержания их, а также от марганца во флюсе и режима сварки. С увеличением содержания оксида марганца (И) во флюсе увеличивается его взаимодействие с металлом сварочной ванны, вследствие чего он связывает и перево­дит в шлак большее количество серы. Но с увеличением закиси оксида марганца (II) во флюсе возрастает и содер­жание фосфора, что способствует увеличению перехода фосфора в шов по реакции (82).

Изменение таких величин режима сварки, как силы сварочного тока и напряжение, изменяет содержание серы м фосфора в шве. При увеличении сварочного тока увеличивается количество расплавленного флюса, вслед­ствие чего содержание фосфора в шве уменьшается, а серы несколько возрастает.

Повышение напряжения дуги при неизменном токе приводит к тому, что количество расплавленного флюса но отношению к количеству расплавленного металла значительно возрастает, вследствие чего переход марганца и кремния в шов увеличивается. Также возрастает пере­ход фосфора, а содержание серы в металле шва умень­шается.

Повышение содержания оксида кальция во флюсе за счет соответствующего снижения содержания окиси марганца несколько увеличивает переход серы в металл шва, что указывает на превалирующую роль марганца в десульфацни металла при автоматической сварке.

Наличие в составе керамических флюсов ферроспла­вов обусловливает следующие особенности металлурги­ческих процессов при сварке под керамическими флю­сами: 1) более полное раскисление наплавленного металла; 2) возможность легирования наплавленного металла в ши­роких пределах; 3) улучшение структуры швов путем их модифицирования.