Шлаки в сварочной ванне улучшают свойства наплавленного металла: защищают его от действия воздуха; химическое взаимодействие между шлаком и металлом раскисляет и легирует металл шва, шлак растворяет вредные соединения; увеличивают запас тепла в ванне и замедляет остывание металла. При наличии в шлаке стабилизирующих компонентов улучшается устойчивость горения дуги.

К шлакам предъявляют следующие требования:

1. Температура плавления шлака должна быть намного ниже температуры плавления металла.

2. Плотность жидкого шлака должна быть ниже плотности расплавленного металла - для обеспечения всплытия шлака в верхнюю часть сварочной ванны.

3. Шлак должен обладать хорошей жидкотекучестыо, т.е. малой вязкостью (для улучшения химической активности).

4. Шлак должен хорошо растворять различные соединения, вредных примесей в нем должно быть минимум.

5. В твердом состоянии шлак должен легко отделяться от наплавленного металла.

Действие газовой защиты более интенсивно, т.к. в этом случае реакции между газами и металлом обладают большей скоростью.

При дуговой сварке покрытыми электродами защита осуществляется газами, образующимися в результате сгорания газообразных компонентов покрытия (крахмал, декстрин, целлюлоза, древесная мука и т.п.), диссоциации мела, мрамора и других углекислых солей покрытия; диссоциации компонентов покрытия, богатых кислородом (Fe2O3, MnO).

При сварке под флюсом источником образования газовой среды является плавиковый шлат СаF2, а также реакции между металлом и флюсом.

При сварке в среде защитных газов (аргоне и гелии, их смеси, сварка в среде СО2 и т.п.) газы по шлангу вводят в зону сварки. В зависимости от способности защитного газа взаимодействовать с металлом в процессе сварки различают: защиту нейтральными газами (инертными – аргон Ar, гелий He и их смеси); защиту активными газами (О2, СО, СО2, Н2 смеси активных газов, пары воды).

В первом случае газы практически не растворяются в металле и химически не взаимодействуют с ним и его примесями. Защита при этом заключается в оттеснении воздуха, содержащего N2 и O2 от зоны сварки.

Активные газы при сварке растворяются в металле и образуют химические соединения. Защитное действие их состоит: в оттеснении воздуха от зоны сварки; в связывании попавших в зону дуги N2 и О2; в восстановлении металлов из окислов.

Несмотря на защиту, в зону дуги будет проникать некоторое количество O2 и N2, поэтому электродные покрытия и флюсы должны обеспечивать удаление кислорода и азота из стали.

3.2.3 Взаимодействие металла сварочной ванны с электродными покрытиями и флюсом

Кроме защиты расплавленного металла от воздуха покрытия и флюсы должны обеспечить раскисление, легирование и рафинирование.

Раскисление – процесс освобождения стали от кислорода -осуществляется несколькими путями :

1) Восстановлением железа из закиси за счет окисления других элементов;

2) Связыванием кислорода элементами-раскислителями;

3) Связыванием закиси железа в нерастворимые в железе силикаты, переходящие в шлак.

Процессы окисления и восстановления происходят при сварке беспрерывно. Первое происходит в передней части ванны (высокая температура), второе – в задней.

Восстанавливается железо за счет окисления других элементов, имеющихся в основном и электродном металле или ванне – C, Si, Mn, Al;

FeО + C = Fe + CО - практически не растворима в стали, всплывает в виде пузырьков; возможно образование пор при этом способе раскисления.

2FeO + Si =2Fe + SiO2 - кремний очень активный раскислитель, SiO2 не растворимо, уходит в шлак.

FeO + Mn = Fe + MnO - мало растворима в железе, но растворяет в себе до 60% закиси FeO, унося его в шлак.

3FeO + 2Al = 3Fe + Al2O3- могут появиться трещины в горячем состоянии (при раскислении алюминием).

В задней части ванны из жидкого металла интенсивно выделяется ранее растворившийся кислород, который взаимодействует с раскислителями

переходят в шлак

Таким образом, видно, что в ванну требуется введение раскислителей – Si, Mn, Al, C и др.

В передней части ванны при наличии в шлаке MnO и SiO2 необходимой концентрации происходит процесс восстановления железом Mn и Si.

MnO + Fe = FeO+ Mn; SiO2 +2Fe = 2FeO +Si.

При этом Mn и Si переходят в металл, а FeО распределяется между металлом и шлаком.

Удаление закиси FeО из стали производят также с использованием шлака, максимально лишенного FeО. При этом получаются стойкие силикаты, уходящие в шлак

FeО + SiО2 = FeО·SiO2

2FeO + SiO2 =(FeО)2·SiO2

При наличии марганца - раскислителя силикаты могут реагировать с ним, восстанавливая железо

FeО·SiO2 + Mn = MnO·SiO2 + Fe

Силикат марганца остается в шлаке.

Легирование металла шва происходит при сварке наряду с процессом раскисления. Легирование осуществляется для компенсации выгорания некоторых элементов в металле ванны или для ввода в металл элементов, не содержащихся в основном металле. Обычно легирующие элементы вводят в электродную проволоку или в покрытия и флюсы для получения металла шва требуемого химсостава.

При сварке малоуглеродистых и низколегированных сталей раскислители Мn и Si , имеющиеся в покрытиях и флюсах, являются и легирующими элементами.

В плавленых флюсах для автоматической сварки раскислители и легирующие элементы находятся в виде окислов Mn и Si, которые восстанавливаются из шлака при сварке. Обычно при автоматической сварке кол-во восстановленного Mn и Si достаточно для выполнения указанных функций, хотя легирование этим путем ограничено. Хорошо обеспечивают легирование керамические флюсы, в состав которых вводят и легирующие элементы.

Легирующими элементами при сварке служат : Mn, Si, Ti, Al, C, Cr, Ni, Mo и др.

Рафинирование. Параллельно с раскислением и легированием при сварке происходит рафинирование металла шва, заключающееся в освобождении шва от шлаковых включений и вредных примесей, например FeS, P2O5 и др.

Ввиду наличия слоя расплавленного шлака на поверхности ванны процесс охлаждения металла шва происходит довольно медленно, поэтому из него успевают выделиться шлаковые и газовые включения.

Защита расплавленного металла при помощи электродных покрытий или флюса обеспечивает получение высококачественного сварного шва с небольшим содержанием кислорода и азота. Так, при сварке малоуглеродистой стали электродами с толстым покрытием (УОНИ -13/45) содержание в шве кислорода составляет 0,02-0,03%, азота - 0,02-0,05%.При автоматической сварке под флюсом марки 0СЦ-45 кислорода содержится в шве 0,03-0,05%, азота - 0.002-0,003%.

3.3. Структура и свойства металла сварных соединений

Так как качество сварного соединения зависит не только от химического состава металла шва, но и от его структуры, то следует проследить процесс кристаллизации металла.

Кристаллизация - это процесс образования кристаллов в металле при его затвердевании. Кристаллизация металла в сварочной ванне протекает в таких специфических условиях: