Легирование металла шва при сварке плавлением

Легирование металла шва при сварке плавлением

В ряде случаев сварки состав металла шва для обеспечения надлежащего его качества и эксплуатационных свойств должен отличаться от состава свариваемого металла. Иногда надо компенсировать потери легирующих элементов на испарение и окисление. В связи с этим процессом, сопутствующим ряду других видов металлургической обработки (в первую очередь раскислению), является легирование металла шва.

Чем активнее окисляется легирующий элемент в зоне сварки, тем меньше его переход в сварочную ванну. При прочих равных условиях (концентрация, температура, состав газовой и шлаковой фазы) элементы, присутствующие в сварочной ванне, по убывающей степени сродства к кислороду при температуре до 1600 0С могут быть представлены в виде следующего ряда:

 

Mg-Al-Zr-Ti-Si-V-Mn-Cr-Mo-W-Fe-Co-Ni-Cu.

 

Элементы, стоящие в этом ряду справа от железа, практически почти полностью усваиваются. Элементы, находящиеся слева от железа, в той или иной мере окисляются и лишь частично легируют металл шва. Степень легирования тем меньше, чем дальше элемент расположен от железа. Al, Zr, Ti при дуговой сварке покрытыми электродами практически полностью окисляется и в наплавленном металле имеются лишь следы этих элементов. Эти элементы достаточно полно усваиваются сварочной ванной только при предельно возможном снижении окислительных условий (сварка в инертных газах, в вакууме, с применением пассивных флюсов). В обычных условиях W и Mo достаточно полно усваиваются сварочной ванной; Cr, Mn, V, Si как окисляются, так и переходят в металла шва. При одинаковых условиях введение в сварочную ванну элемента с относительно большим сродством к кислороду предохраняет от активного окисления другие элементы, обладающие меньшим сродством к кислороду. Например, для более полного усвоения титана в зону сварки целесообразно вводить алюминий.

Изучив металлургические процессы при сварке, можно наметить пути легирования металла шва, заранее расчетным путем определить его примерный состав.

Легирование металла при сварке возможно воздействием металлической или шлаковой фаз, а также газов. Основным способом легирования металла шва является легирование посредство введения в сварочную ванну соответствующих элементов в металлическом состоянии, в частности в виде сплавов. Легирование в этом случае происходит в результате:

–   поступления легирующего элемента из расплавляемого при сварке основного металла;

–   поступления легирующего элемента из присадочного металла (плавящихся электродной проволоки, электродного стержня при дуговой и электрошлаковой сварке);

–   введения легирующего элемента в состав электродного покрытия, керамического флюса, шихты порошковой проволоки или ленты.

Химический состав наплавленного металла зависит от химического состава основного и присадочного металлов и металлургических процессов в сварной ванне.

Обозначим содержание какого-либо легирующего элемента в основном металле, присадочной проволоке и металлической добавке (входящей в состав электродного покрытия, керамического флюса или шихты порошковой проволоки, либо ленты) соответственно – [Ле]о.м, [Ле]пр, [Ле]мд.

Тогда в простейшем случае (исключая металлургические процессы, протекающие в зоне плавления) концентрация легирующего элемента в металле шва будет равна:

 

[Ле]и = g[Ле]о.м + (1-g-с)[Ле]пр + с[Ле]мд,                (4.31)

 

где          g – доля участия основного металла в металле шва

 

с – доля участия металлической добавки в образовании металла шва;

[Ле]и – исходная концентрация легирующего элемента в металле шва.

 

Из опытных данных с » 0,003 × (% Р), где (% Р) – содержание металлической добавки в составе покрытия, флюса или шихты ПП, ПЛ.

Действительная концентрация [Ле]шв легирующего элемента отличается от исходной в результате протекания металлургических процессов в зоне плавления.

Отношение этих концентраций представляет коэффициент усвоения элемента

 

(4.32)

 

Величина коэффициента усвоения зависит от нескольких фактов: химической активности легирующего элемента, способа сварки, процентного содержания этого элемента в основном и присадочном металлах (см. табл. 12 и 13).

 

Таблица 12. Значения коэффициентов усвоения элементов при сварке под флюсом

Элемент Флюс Концентрация элемента

в проволоке, %

Коэффициент

усвоения

С АН-348А до 1,6 0,08
1,6 – 2,1 0,17
Si АН-348А,

ОСЦ-45

до 2,0 0,41
2,0 – 4,0 0,45
4,0 – 7,0 0,81
Mn до 3,0 0,32
3,0 – 8,5 0,47
Cr АН-348А до 3,0 0,76
3,0 – 6,0 0,86
6,0 – 8,0 0,98
ОСЦ-45 до 3,0 0,61
3,0 – 6,0 0,65
6,0 – 8,0 0,70
W АН-348А,

ОСЦ-45

  0,89
Mo   0,97
Cu   0,95
Ni   1,00
Ti АН-348А до 4,0 0,07
4,0 – 6,0 0,11
Al до 2,0 0,19
2,0 – 6,0 0,26

 

Таблица 13. Значение коэффициентов усвоения элементов при сварке в углекислом газе

Объект исследования Содержание элементов (%),

Коэффициент усвоения

C Mn Si Cr Ti
Исходная концентрация 0,10 0,51 0,48 18,8 0,56
Шов 0,10 0,40 0,45 17,7 0,24
Коэффициент усвоения 1,0 0,78 0,78 0,94 0,42
Исходная концентрация 0,28 1,01 1,07 0,95
Шов 0,22 0,81 0,87 0,89
Коэффициент усвоения 0,79 0,80 0,81 0,94
Исходная концентрация 0,19 0,73 0,70 0,47
Шов 0,14 0,57 0,56 0,41
Коэффициент усвоения 0,74 0,78 0,73 0,87
Исходная концентрация 0,17 0,67 0,43
Шов 0,12 0,27 0,16
Коэффициент усвоения 0,71 0,55 0,37

Примечание. При исходном содержании С ³ 0,07 ¸ 0,10 % наблюдается его выгорание, а при содержании С < 0,05 ¸ 0,06 % – восстановление.

 

Так как легирование металла шва может производиться за счет электродного покрытия, электродной проволоки, флюса, то возникает необходимость раздельной оценки степени перехода того или иного элемента из электродного покрытия, проволоки, флюса.

Для этого Земзиным В.Н. и Ерохиным А.А. предложено понятие коэффициента перехода легирующего элемента из проволоки, покрытия и флюса. Коэффициент перехода элементов из основного металла принимают равным единице.

Тогда при РДС содержание легирующего элемента в металле шва определится уравнением:

 

[Ле]шв = g[Ле]о.м. + (1-g)[Ле]пр × Кпр +  g0(1-g)PFecn × [Ле]Fecn × Кпокр;   (4.33)

где          [Ле]шв, [Ле]о.м.,[Ле]пр, [Ле]Fecn – содержание легирующего элемента в металле шва, основном металле, проволоке, ферросплаве (%);

g – доля участия основного металла в металле шва;

Кпр, Кпокр – коэффициенты перехода легирующего элемента из проволоки и покрытия;

g0 – относительный вес электродного покрытия, т.е. отношение его веса к весу электродного стержня;

PFecn – относительное количество в составе покрытия материала (ферросплава, металлического порошка), содержащего легирующий элемент в металлическом состоянии.

Лишь величины, стоящие в квадратных скобках, подставляются в процентах, остальные в долях.

Например: рассчитать содержание марганца в металле шва при сварке Ст3пс электродом УОНИ-13/55, если доля участия основного металла в металле шва – 0,3. Покрытие содержит 5 % 45 %-ного Fe-Mn. Относительный вес электродного покрытия 0,3. Коэффициенты перехода марганца из проволоки – 0,6; из покрытия – 0,55.

Содержание марганца в стали – 0,35 ¸ 0,60 %, принимаем 0,5 %.

Содержание марганца в металлическом стержне (проволока Св-08А) – 0,45 %.

Подставив все величины в уравнение (4.33), получим:

[Mn]шв = 0,3 × 0,5 + 0,7 × 0,45 × 0,6 + 0,3 × 0,7 × 0,05 × 45 × 0,55 =

= 0,599 % » 0,6 %.

 

Величины коэффициентов перехода зависят от способа и режима сварки, вида покрытия, химической активности элемента. Коэффициенты перехода элементов из проволоки при газовой, аргонодуговой и вакуумной сварке для большинства элементов близки к единице. При сварке плавящимся электродом эти коэффициенты очень нестабильны. Но средние значения этих коэффициентов полезно знать.

 

Таблица 14. Значения коэффициентов перехода из проволоки при РДС

Элемент C Si Mn Ni Cr
Коэффициент перехода 0,4 ¸ 0,5 0,5 ¸ 0,6 0,6 ¸ 0,7 0,85 ¸ 0,95 0,8 ¸ 0,9

 

Таблица 15. Коэффициенты перехода из основного покрытия

Элемент C Si Mn V Mo Cr Ni
Коэффициент перехода 0,46 ¸ 0,60 0,25 ¸ 0,35 0,55 ¸ 0,70 0,80 ¸ 0,85 0,80 ¸ 0,85 0,85 ¸ 0,92 0,96 ¸ 1,0

 

Обычно коэффициенты перехода из проволоки больше, чем из покрытия.

При сварке в защитных газах расчет содержания легирующего элемента в металле шва ведут по управлению:

[Ле]шв = g[Ле]о.м + (1-g)[Ле]пр × Кпр.                  (4.34)

 

При сварке в защитных газах средние величины коэффициентов перехода элементов из проволоки приведены в табл. 16.

 

Таблица 16. Коэффициенты перехода при сварке в защитных газах

Вид сварки Коэффициенты перехода по элементам
C Mn Si Cr
Сварка в СО2:

проволокой 12Х18Н9Т

проволокой Св-18ХГСА

проволокой 10 ГС

0,79

0,71

0,78

0,80

0,55

0,78

0,81

0,37

0,94

0,94

Сварка в Аr + 5 % О2:

проволокой Св-18ХГСА

проволокой 10 ГС

 

0,60

0,59

 

0,69

0,41

 

0,71

0,32

 

0,92

 

При наплавке глубина проплавления небольшая, поэтому долей участия основного металла в металле шва можно пренебречь, т.е. g = 0.

Для наплавочных работ часто применяют керамические флюсы и низкоуглеродистую проволоку. В этом случае содержание легирующего элемента в наплавленном металле выразится формулой:

 

[Ле]н.м = (GФ / Gн.м) × PFecn × [Ле]Fe-спл × Кфл;                    (4.35)

где          Кфл – коэффициент перехода элемента из флюса,

GФ / Gн.м – относительный вес расплавленного флюса, обычно эта величина составляет 1,1 ¸ 1,4.

При увеличении напряжения дуги увеличивается количество расплавленного флюса GФ, т.е. повышается степень легирования металла шва. При увеличении величины тока возрастает количество наплавленного металла, поэтому степень легирования металла шва уменьшается.

Величины коэффициентов перехода элементов из керамического флюса приведены в табл. 17.

 

Таблица 17. Коэффициенты перехода элементов из флюса

Элемент C (графит) C (Fe-спл) Mn Si Cr Ni
Коэффициент перехода 0,28 0,7 0,52 0,37 0,75 0,98

 

Наряду с легированием металла через металлическую фазу возможно легирование металла шва и воздействием шлаковой фазы. Это происходит в результате восстановительных процессов. Легирование металла шва в результате обменных реакций обычно используют при необходимости введения небольших количеств легирующих элементов. Такой способ легирования повышает окисленность металла шва. Наиболее часто им пользуются при сварке под флюсом. Этот путь наиболее легко использовать для элементов, обладающих сродством к кислороду меньшим, чем у железа (Сo, Cu, Ni) и ограниченно для таких элементов как Cr, Si  и Mn (прирост Si  и Mn не более 0,3 ¸ 0,4 %).

Легировать металл шва может и газовая фаза. Но этот процесс сопутствующий и, как правило, вредный. Он может наблюдаться при сварке в углекислом газе или РДС электродами с основным покрытием. В этом случае возможно науглероживание металла шва в пределах до 0,05 %.

При значительной концентрации алюминия в электродной проволоке или в покрытии может протекать реакция:

2[Al] + 3{CO} = (Al2O3) + 3[C].                       (4.36)

В этом случае приращение углерода может достигать 0,1 ¸ 0,2 %.

Значительное насыщение металла шва углеродом будет также при газовой сварке науглероживающим пламенем.

Легирование металла протекает во всех зонах сварки, но наиболее энергично и полно – в процессе каплеобразования.

Поскольку коэффициенты перехода зависят от многих физических и технологических факторов, то задача расчета состава наплавленного металла решается только в первом приближении.

Серия статей МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ:

1. Общая характеристика процессов в зоне плавления
2. Шлаковая фаза при сварке плавлением
3. Раскисление металла при сварке
4. Легирование металла шва при сварке плавлением
5. Рафинирование металла шва при сварке плавлением