Защитные свойства газов

Защитные свойства газов

Общеизвестно, что металл швов, выполненных  дуговой сваркой голыми электродами  в атмосфере воздуха, обладает неудовлетворительными  свойствами. Поэтому защита переплавляемого  дугой жидкого металла от воздействия  воздуха является необходимой функцией всех применяемых в современных  методах сварки флюсов, обмазок и  газов. Другие функции флюсов, обмазок  и газов (раскисление и легирование металла шва, образование шлака на его поверхности и т.п.) не всегда являются необходимыми. Газовая защита жидкого металла от воздуха может осуществлятся или газами, образующимися в зоне сварки в результате нагревания или сгорания некоторых компонентов флюсов и обмазок (мел, мрамор, плавиковый шпат, крахмал, целлюлоза и т.д.), или газами, специально вводимыми в зону сварки.

Под сваркой в защитных газах  подразумевают только такие способы  сварки, в которых газ подается в зону сварки через внутренние каналы и сопло специальной горелки.

Количество газа, которое необходимо подавать в единицу времени (расход газа) для оттеснения воздуха от зоны сварки, зависит от многих факторов: теплофизических свойств защитного  газа, конструкции применяемой газоэлектрической  горелки и параметров режима сварки (тока, напряжения на дуге, расстояния от торца сопла до поверхности  свариваемого металла и др.).

Надежность защиты зоны сварки от воздуха повышается, а необходимый  расход газа понижается с увеличением  удельного веса газа и его способности  к термической диссоциации. С  увеличением удельного веса газа повышается устойчивость струи газа, что затрудняет ее сдувание потоками воздуха. Диссоциация защитного  газа в зоне сварки сопровождается увеличением объема газа (кроме термического расширения) и следовательно, более интенсивным оттеснением воздуха. Например, при полной диссоциации из 100 объемов углекислого газа образуется 150 объемов окиси углерода и кислорода. 

В табл. ниже приведены некоторые  теплофизические свойства газов, используемых в качестве защитной атмосферы при  сварке плавящимся электродом.

Некоторые теплофизические свойства газов:

Расход газа обычно измеряется в  м³/час, л/час или л/мин. При выбранном оборудовании и установленных параметрах режима сварки минимальный расход газа, обеспечивающий достаточно полное вытеснение воздуха из зоны сварки, устанавливается опытным путем. Экспериментально установлено, что при сварке неплавящимся и плавящимся электродом увеличение расхода газа сверх минимально необходимого мало влияет на состав и свойства металла шва.

Минимальный расход газа, необходимый  для полного вытеснения воздуха  из зоны сварки, можно определить путем  наблюдения и фотографирования окрашенного  защитного газа, а также анализа  содержания в металле шва азота  или легко окисляющихся легирующих элементов.

На рис. справа и в табл. ниже представлены данные по изменению содержания легирующих элементов и плотности  металла шва, позволяющие определить минимальный расход углекислого  газа при сварке стали 1Х18Н9Т на токах 235-250 а и диаметре газового сопла 16 мм.

Из данных, приведенных на рис. справа и табл. ниже, видно, что при принятом режиме сварки минимальный расход углекислого  газа составляет 500-600 л/час.

Как правило, расход газа при сварке (оптимальный) принимают несколько  большим, чем минимально необходимый. Расход газа следует повышать при  сквозняках, а также при увеличении диаметра газового сопла, расстояния от торца сопла до металла, тока, напряжения на дуге и скорости сварки.

Результаты опытов по определению  минимально необходимого расхода углекислого  газа:

Некоторую экономию газа при сварке можно получить за счет уменьшения выходного отверстия газового сопла  горелки. Однако при этом следует  учитывать, что уменьшение диаметра сопла увеличивает опасность  попадания воздуха в зону сварки вследствие более быстрого засорения  горелки и возможного выхода дуги из потока защитного газа при больших  изгибах электродной проволоки.

При сварке плавящимся электродом чаще всего используются сопла с диаметром  выходного отверстия от 12 до 20 мм, при этом скорость истечения газа (аргона и углекислого газа) из сопла  го релки обычно находится в пределах 0,6-1,5 м/сек. Чрезмерно высокая скорость истечения газа может вызвать его завихрение и подсос воздуха в зону сварки вследствие проявления эффекта инжекдии. Возможность завихрения газа увеличивается с повышением его плотности и уменьшением вязкости. Считается, что при прочих равных условиях расход углекислого газа при сварке можно принимать на 50% меньше, чем расход аргона.

ри количестве сварочных постов более 20 целесообразно иметь централизованное питание их углекислым газом, подаваемым по трубопроводу от рампы или от газификационной установки. Сварочные посты рекомендуется оборудовать электромагнитными клапанами, позволяющими автоматически перед зажиганием дуги включать подачу газа и после гашения выключить газ. На каждом посту должен быть расходомер (ротаметр).  
Особенности сварки в среде углекислого газа.  
Углекислый газ является активным газом. При высоких температурах происходит диссоциация (разложение) его с образованием свободного кислорода: 
2СО2 -- 2СО + О2  
Молекулярный кислород под действием высокой температуря сварочной дуги диссоциирует на атомарный по формуле:  
О2 -- 2О  
Атомарный кислород, являясь очень активным, вступает в реакцию с железом и примесями, находящимися в стали, по следующим уравнениям:  
Fe + O =FeO,  
C + O =CO,  
Mn + O =MnO,  
Si + 2O = SiО2.  
Чтобы подавит реакцию окисления углерода и железа при сварке в углекислом газе, в сварочную ванну вводят раскислители (марганец и кремний), которые тормозят реакции окисления и восстанавливают окислы по уровням:  
FeO + Mn = MnO + Fe,  
2FeO + Si = SiО2 + 2Fe и т.д.  
Образующиеся окислы кремния и марганца переходят в шлак.  
Исходя из этого при сварке в углекислом газе малоуглеродистых и низкоуглеродистых сталей необходимо применять кремний-марганцовистые проволоки, а для сварки легированных сталей – специальные проволоки. 

Взаимодействие защитных газов с металлом при сварке

Все встречающиеся в природе  газы можно разделить по отношению  к свариваемому металлу на инертные и активные. Под инертными следует понимать такие газы, которые практически не растворяются в свариваемом металле и не образуют с ним и его примесями химических соединений. «Идеальными» инертными газами, не взаимодействующими в заметной степени со всеми металлами, являются одноатомные газы нулевой группы периодической системы Менделеева, из которых в сварке нашли применение аргон и гелий. Все остальные газы, способные взаимодействовать в процессе сварки с металлом (растворяющиеся в нем или образующие с ним химические соединения, или и то и другое одновременно) можно назвать активными газами.

Некоторые из таких газов являются инертными по отношению к одному металлу и активными по отношению  к другому.

Активные защитные газы интенсивно взаимодействуют при сварке с  переплавляемым дугой жидким металлом и очень слабо взаимодействуют  с твердым металлом. Это дает основание  предполагать, что состав, структура и свойства основного металла слабо зависят от химической активности защитного газа. Поэтому в дальнейшем будет рассматриваться взаимодействие защитного газа только с переплавляемым дугой жидким металлом. В металле газы могут находиться в виде отдельных атомов, ионов или в различной степени диссоциированных химических соединений. В молекулярном состоянии газы могут присутствовать только в порах, раковинах и трещинах металла. Как правило, наличие газов в твердом металле, в том числе и в металле сварного шва, является нежелательным. Растворение газов в металле в большинстве случаев является эндотермическим процессом, благодаря чему предел растворимости газа повышается с увеличением температуры.

При дуговой сварке металл подвергается быстрому нагреву и охлаждению. При  этом растворение газов в металле  при нагреве и их выделение  при охлаждении может служить  причиной образования пор в металле  швов. Интенсивность взаимодействия газов с металлом зависит от природы  металла и газа, их температуры  и парциального давления газа над  металлом.

Из всего многообразия активных газов наибольший интерес для  металлургов и сварщиков представляют элементарные двухатомные газы: водород, азот и кислород, почти всегда присутствующие в зоне сварки и металле в свободном  состоянии или в составе более  сложных газов и химических соединений.

При дуговой сварке водород, азот и  кислород находятся в атмосфере  дуги в молекулярном и атомарном  состояниях, соотношения между которыми определяются температурой. Растворимость  этих газов в металле в зависимости от их парциального давления над металлом при постоянной температуре выражается уравнением  

где [Г]- концентрация газа в металле; К- константа;

Рг,г₂- общее парциальное давление атомарного и молекулярного газа;

а - степень диссоциации газа при  данной температуре. Растворимость  газов в металле в значительной степени зависит от температуры  газа и металла. Растворимость двухатомных  газов О₂, N₂, Н₂ в железе и большинстве сплавов на его основе увеличивается с повышением температуры (рисунки. ниже). Температура металла и газа и их контактная поверхность в большой степени зависят от способа дуговой сварки.

Образование силикатных шлаков

Образование силикатных шлаков происходит при взаимодействии основных окислов  с кремнеземом, например

CaO + Si02= CaSi03;

2FeO + Si02 = Fe2Si04.

В зависимости от соотношения основных и кислотных окислов шлаки  подразделяют на основные и кислые. Степенью кислотности шлака называется отношение количества кислорода, содержащегося в кислотных окислах, к сумме кислорода, содержащегося в основных окислах.

Наилучшими шлаками при плавке сырья на черную медь являются известково-железистые силикаты с кислотностью К = 1-1,3. Окись цинка и алюминия являются амфотерными окислами, в основных шлаках они ведут себя, как кислотные окислы, а в сильно кислых шлаках - как основные. ZnO и А1203 обычно связаны между собой в виде шпинели, растворяющейся в шлаке.

Температура плавления шлаков не должна быть очень низкой, иначе не успеют завершиться реакции восстановления окислов, и они, не восстановившись, перейдут в шлаки. С другой стороны, шлаки не должны быть слишком тугоплавкими, так как при этом повышается расход топлива и увеличиваются потери металлов. Обычный шлак должен иметь температуру плавления в пределах 1050-1200°. Наиболее тугоплавкими составляющими шлака являются: цинковая шпинель Zn0-Al203 (1950°); магнетит FeO• Fe203 (1590°) и вилемит 2Zn0-Si02 (1512°).

Вязкость шлаков увеличивается  с повышением кислотности, следовательно, Si02 увеличивает вязкость шлаков, а  СаО и FeO снижают. С повышением температуры вязкость шлака снижается.

Удельный вес шлака должен быть значительно меньше удельного веса выплавляемого металла.