Из теории металлургических процессов известно, что чем больше химическое сродство данного металла с кислородом и чем меньше упругость диссоциации его окисла, тем большей устойчивостью обла­дает этот окисел и тем труднее восстановить данный металл.

Применяемые для восстановления металла из окисла вещества (газ, жидкость или твердое тело) должны обладать большим хими­ческим сродством к кислороду, нежели восстанавливаемый металл, а окислы этих восстанавливающих веществ должны обладать мень­шей упругостью диссоциации, чем окисел восстанавливаемого ме­талла (табл. 4). Из табл. 4 видно, что наибольшей упругостью дис­социации обладает окись меди Си20 и наименьшей — окись каль­ция СаО.

Таблица 4

Окислы некоторых металлов не могут быть восстановлены га­зами средней зоны сварочного пламени (рис. 46). При сварке железа и никеля газы средней зоны нормального ацетилено-кислородного пламени в известной мере предупреждают образование окислов этих металлов, так как они сравнительно хорошо восстанавливаются окисью углерода (СО) и водородом (Н и Н2). Однако магний, алю­миний, цинк и другие металлы не восстанавливаются газами пла­мени, и для их восстановления или связывания их окислов прибе­гают обычно к флюсам — веществам, вводимым в сварочную ванну для раскисления расплавленного металла и извлечения из него об­разующихся окислов и неметаллических включений. Кроме того, флюсы образуют на поверхности ванны пленку шлака и тем предо­храняют металл от дальнейшего окисления и азотирования.

Необходимость применения флюсов при сварке высоколегиро­ванных сталей, чугуна, а также цветных металлов и сплавов возни-, кает в связи с тем, что при нагревании последних до высокой тем­пературы на их поверхности образуется пленка окисла, которая при расплавлении переходит в сварочную ванну и препятствует надеж­ному сплавлению основного и присадочного металла. При сварке низкоуглеродистой стали эта пленка легко удаляется при переме­шивании ванны и восстанавливается газами пламени.

К сварочным флюсам предъявляются следующие требова­ния.

1. Флюс должен быть легкоплавким и иметь температуру плав­ления более низкую, чем температура плавления основного и при­садочного металла.

2. Флюс должен обладать достаточно высокой реакционной спо­собностью, с тем чтобы процесс растворения окислов металлов за­канчивался до затвердения сварочной ванны..

3. Флюс не должен ока­зывать вредного влияния на металл.

4. Плотность флюса дол­жна быть меньше плотности металла, с тем чтобы обра­зуемый флюсом шлак легко всплывал на поверхность сва­рочной ванны.

5.. Свойства флюса не дол­жны меняться под влиянием высокой температуры пла­мени.

3. Расплавленный флюс должен хорошо растекаться по нагретой поверхности ме­талла.

4. Образуемый флюсом шлак должен хорошо защи­щать металл от окисления и азотирования кислородом и азотом воздуха и хорошо отделяться от шва при остывании металла.

Удалять окислы и неметаллические включения из жидкой ванны можно химическим путем и физическим растворением. В обоих случаях механизм действия флюса основан на законе распределения, согласно которому при соприкосновении двух несмешивающихся жидких фаз компонент, растворимый в обеих фазах, распределяется в них в постоянном при данной температуре отношении. В зависи­мости от того, какого характера окисел образуется в сварочной ванне, следует применять флюсы основные или кислые. При этом реакции протекают по следующей схеме: кислотный окисел + основной окисел = соль.

Если при сварке металлов образуются преимущественно основ­ные окислы (исключение составляет титан), то флюс должен быть кислым, и, наоборот, если образующиеся в сварочной ванне окислы имеют кислый характер, то флюс должен быть основным. Кислые флюсы применяют преимущественно при сварке цветных металлов, в частности при сварке сплавов меди и сплавов алюминия, а основ­ные, вернее сочетание основных с кислыми, — при сварке чугуна, содержащего высокий процент кремния и образующего в сварочной ванне, помимо окислов железа, кислотный окисел кремния (Si02).

Флюсы для сварки меди и ее сплавов. Применяемые при сварке медных сплавов кислые флюсы обычно представляют собой соеди­нения бора — буру Na2B407 • ЮН20 и борную кислоту Н3В03 или их смеси.

Перед употреблением буру необходимо прокаливать, так как в противном случае при нагревании она вспучивается, выделяет кристаллизационную воду и увеличивает количество водяных паров в зоне сварки.

Взаимодействие буры с окисью меди по одной из наиболее веро­ятных реакций может быть представлено следующим образом. При нагревании бура распадается на соль метаборной кислоты NaB02 и борный ангидрид В203:

Na2B407 -> 2NaB02 + В203,

которые, взаимодействуя с окисью меди, образуют двойную соль натрия и меди метаборной кислоты

2NaB02 + B2Os + CuO = (NaB02)2 • Си (B02)2.

Аналогично этому протекает реакция взаимодействия буры с окисью цинка

2NaB02 + В203 + ZnO = (NaB02)2 • Zn (В02)2.

Помимо чисто химического действия буры, возможно также и непосредственное связывание борным ангидридом окислов меди и цинка, с образованием борнокислых солей Си-В203 и Zn-B203.

Применяя в качестве флюса борную кислоту, следует иметь в виду что она при нагревании до температуры 550—600° С полностью освобождается от воды и превращается в борный ангидрид, обла­дающий сильнокислыми свойствами:

2Н3В03 - V В203+ЗН20.

Соединяясь с образующимся при сварке окислом меди или цинка, борный ангидрид, как и в случае применения в качестве флюса буры, образует борнокислые соли CuO ♦ В203 или ZnO ♦ В203.

Флосы для сварки чугуна. При сварке чугуна, в сварочной ванне которого образуется тугоплавкий окисел кремния Si02 (Тпл = = 1710°С), для растворения его в состав флюса вводят компоненты, обладающие основными свойствами. Такими компонентами обычно служат углекислый натрий Na2C03 или углекислый калий К2С03.

Взаимодействие углекислого натрия с окислом кремния проте­кает по реакции

2Na3C03 + Si02 = Na, Si04 + 2С03.

Аналогично протекает и реакция взаимодействия углекислого калия с этим окислом:

2К2С03 +SiOa = K4Si04 +2С0.3.

В обоих случаях связанный окисел кремния в виде ишака всплы­вает на поверхность сварочной ванны.

Для растворения SiOa возможно также применение двууглекис­лого натрия NaHC03 и азотнокислого натрия NaN03:

4NaHC03 + SiOa =Na4'Si04 + 2H30 +4CO

или

2NaN03+Si03 = Naa0 • Si03 + N305.

Однако следует иметь в виду, что во многих случаях сварки се­рого чугуна в состав флюса, помимо приведенных выше компонен­тов, вводимых в количестве 25—50%, входит также бура Na2B407, обладающая сильно выраженными кислыми свойствами. В неко­торых же случаях флюс вообще представляет собой только буру, без каких-либо добавок. Объясняется это тем, что чугун, помимо высокого содержания в нем кремния, содержит также высокий процент углерода, требующего защиты сварочной ванны от кис­лорода воздуха. Бура же при расплавлении ее пламенем горелки хорошо растекается по поверхности металла, образует шлаковую пленку, достаточно надежно защищающую ванну от воздействия воздуха.

В то же время образующийся в результате разложения буры борный ангидрид связывает окислы железа и марганца в борнокис­лые соли

FeO + Вг03 = FeO • Ва03;

МпО + В303=МпО • Ва03,

всплывающие в виде шлака на поверхность сварочной ванны.

При использовании газообразного флюса (азеотропной смеси метанола с метилборатом) на поверхности расплавленного металла образуется плотная, вязкая пленка боросиликатов, надежно защи­щающая сварочную ванну от попадания в нее газов из пламени и из воздуха.

Флюсы для сварки алюминия и его сплавов. В связи с тем, что тугоплавкая окись алюминия А1а03 (Тпл= 2030° С) представляет собой чрезвычайно прочное химическое соединение, плохо поддаю­щееся действию флюсующих веществ Из-за своего химически нейт­рального характера, флюсы для сварки алюминия должны обладать Достаточно большой активностью. Наиболее сильно действующие растворители окиси алюминия — галоидные соединения щелочного

металла лития. В связи с этим большинство флюсов для сварки алю­миния содержит в своем составе хлористый или фтористый литий. Помимо соли лития, флюсы для сварки алюминия содержат также ряд других фтористых или хлористых солей калия, натрия и каль­ция. Наиболее активные компоненты флюса — соли лития и глав - . ным образом хлористый литий. Взаимодействие хлористого лития с окисью алюминия протекает по реакции

6ЫС1 + А1203 =2А1С13 + 31л20.

Образуемый в результате приведенной реакцій хлористый алю­миний улетучивается, так как его температура кипения всего 183° С, окисел же лития всплывает на поверхность ванны в виде

шлака.

Флюсы для алюминия, содержащие хлористый литий, отличаются исключительно большой гигроскопичностью, в связи с чем хранить их следует в герметически закрываемых банках.

Флюсы, содержащие в своем составе хлористый литий, при на­личии остатков флюса после окончания сварки на поверхности металла шва и околошовной зоны могут вызвать своеобразную кор­розию металла, продолжая взаимодействовать с окисью алюминия, всегда присутствующей на поверхности металла. В связи с этим при использовании флюса с хлористым литием необходимо тщательно очистить поверхность сварного соединения от остатков флюса про­волочной щеткой и промыть шов и околошовную зону 2%-ным рас­твором азотной кислоты (HN03), а затем водой и просушить.

Помимо флюсов, содержащих химически активные элементы, при сварке алюминия находят также применение флюсы, сочетающие в известной мере физическое растворение окислов с химическим взаимодействием элементов. Процесс физического растворения имеет место тогда, когда в жидкой ванне, помимо основных и кислотных окислов, присутствуют некоторые соли, обладающие значительной способностью растворять окислы в расплавленном состоянии. Такой солью является, в частности, криолит AlF3-3NaF, растворяю­щий в расплавленном состоянии Als03.