ТЕХНОЛОГИЯ  ПОЛУАВТОМАТИЧЕСКОЙ СВАРКИ ПОД ФЛЮСОМ

Сущность полуавтоматической сварки под флюсом заключается в следующем: по мере перемещения вручную держателя полуавтомата из установленной на нем воронки в зону сварки подается флюс, который закрывает поверхность изделия и электродную (сварочную) проволоку на высоте 40 — 50 мм. Дуга, возбуждаемая между свариваемым изделием 1 и электродной проволокой 2, горит под слоем флюса 3 (рис. 1). При этом происходит плавление кромок свариваемого изделия, электродной проволоки и флюса. Затвердевший металл ванны образует шов 4, который покрывается образующейся в процессе сварки шлаковой коркой 5, легко удаляемой после остывания. Нерасплавившийся флюс собирают после сварки и используют вторично.

Рис. 1. Схема сварки под флюсом

Сварку под флюсом выполняют переменным и постоянным током. Металл сварного шва, выполненного под флюсом, состоит примерно из 1/3 расплавленного присадочного металла и 2/3 переплавленного основного металла. Отношение веса расплавленного флюса к весу расплавленного присадочного металла  составляет  приблизительно  1:1.

Электродная проволока. При полуавтоматической сварке под флюсом электродная проволока является одним из основных элементов, определяющих качество сварного соединения. Для сварки под флюсом применяют три вида проволоки:   углеродистую,   легированную   и   высоколегированную.

Поверхность поставляемой проволоки должен быть чистой, гладкой, без окалины, ржавчины и масла. Проволока поставляется в мотках, либо в специальных катушках. Каждый моток должен быть перевязан мягкой проволокой в трех или четырех местах, равномерно расположенных по окружности мотка.

К мотку прикрепляют бирку, на которой указывают наименование или товарный знак предприятия-поставщика, наименование проволоки, марку стали (проволоки), диаметр проволоки и номер стандарта, по которому стандартизируется проволока. Каждую партию проволоки сопровождают сертификатом, в котором указывают наименование предприятия-поставщика, наименование проволоки, марку стали (проволоки), номер плавки, диаметр проволоки, химический состав стали, результаты испытаний, массу проволоки и номер стандарта (ГОСТа).

СВАРОЧНАЯ ДУГА ПОД ФЛЮСОМ

Сварочная дуга возбуждается между голой электродной проволокой под слоем сыпучего флюса и свариваемым металлом. После возбуждения дуги за счет высокой ее температуры возникает флюсовый пузырь, который образуется парами и газами, выделяющимися в столбе в процессе горения дуги. Таким образом, после возбуждения сварочная дуга горит в флюсовом пузыре. Во флюсовом пузыре парами и газами создается давление порядка 0,5 — 0,9 кПа. Давление столба дуги, газов и паров металла, находящихся в пузыре, способствует вытеснению жидкого металла из-под основания сварочной дуги, в результате чего дуга заглубляется в основной металл.

Флюсовый пузырь предупреждает потери металла на угар и разбрызгивание. Повышение величины сварочного тока увеличивает глубину проплавления и коэффициент наплавки, а следовательно, увеличивается количество расплавленного электродного металла. Стабильность горения дуги под флюсом зависит от соотношения между количеством расплавляемого электродного металла и количеством поступающего в сварочную дугу электродного металла. При увеличении скорости передвижения сварочной дуги под флюсом уменьшаются глубина проплавления, ширина и высота шва, что объясняется уменьшением количества тепла дуги, вводимого на единицу протяженности сварного шва. Если оставить постоянными скорость сварки, величину сварочного тока, то при увеличении напряжения на сварочной дуге, горящей под флюсом, увеличивается длина дуги, что приводит к ее подвижности. Сварочная дуга под флюсом может протекать как при использовании переменного тока, так и постоянного. В свою очередь сварочная дуга постоянного тока может быть прямой или обратной полярности. Слой нерасплавленного флюса мешает газовому пузырю разорваться. Когда слой флюса прорывается и наружу выходит газ, то это указывает на недостаток флюса. При сварке дугой, горящей под флюсом, применяют большую плотность тока, чем при ручной дуговой сварке штучными электродами. Это объясняется тем, что в первом случае расстояние от токоподводящего мундштука до сварочной дуги не превышает 60—100 мм. Поэтому меньше теряется тепла за счет излучения, а дуга под флюсом является более сосредоточенным источником, чем открытая дуга. В то же время температура дугового промежутка практически не увеличивается из-за больших затрат энергии на плавление и испарение металла и флюса. При увеличении давления в газовом пузыре за счет давления слоя флюса возрастает и плотность тока. Давление газов изменяется почти пропорционально сварочному току.

МЕТАЛЛУРГИЯ СВАРКИ  ПОД ФЛЮСОМ

Флюсы для автоматической и полуавтоматической сварки по способу производства разделяются на плавленые и неплавленые (керамические). Плавленые флюсы— это искусственно приготовленные силикаты сложного состава с добавкой фтористых солей, сплавленные в электрических или пламенных печах и измельченные после сплавления в крупку до определенной грануляции. При сварке легированных сталей применяют флюсы, не содержащие кремнезема и построенные в основном на фтористых солях (CaF2, NaF и др.) с добавлением прочных окислов (CaO, MgO, А120з). Керамические флюсы — механическая смесь порошкообразных компонентов, связанных между собой раствором или спеканием и раздробленная в виде крупки до определенной грануляции.

При полуавтоматической и автоматической сварке сталей флюсы защищают жидкий металл в зоне дугового разряда от влияния кислорода и азота воздуха, химически воздействуют с жидким металлом, а также легируют сварочную ванну. Защитные свойства флюса зависят от его физического состояния (стекловидный или пемзовидный) и грануляции. В зависимости от химического состава флюса и сварочной ванны флюс либо вступает в химическое взаимодействие с жидким металлом, либо остается пассивным.

Флюсы — силикаты в своем составе, имеют два типа окислов: основные и кислотные, поэтому носят основной или кислотный характер. Основные флюсы обычно применяются при сварке легированных сталей, когда кремневосстановительный процесс отрицательно влияет на формирование сварного шва.

При сварке под флюсом имеется три фазы: шлаковая (флюсовая), газовая и металлическая. Между этими фазами в процессе горения сварочной дуги под флюсом происходят обменно-восстановительные реакции.

В  наиболее горячей части  сварочной ванны на  границе раздела между металлической н шлаковой фазами протекает реакция  (SiO2) + 2Fe  = 2(FeO) + [Si].

Круглые скобки () обозначают, что соединение находится в виде шлака, а квадратные [] — элемент растворен в расплавленном металле сварочной ванны. Эта реакция протекает в том случае, если концентрация кремнекислоты во флюсе будет высокой при низкой концентрации закиси железа (FeO) в нем, и низкой концентрации кремния в сварочной ванне. Закись железа, образующаяся по приведенной реакции, преимущественно переходит в шлак и частично в металл, следовательно металл шва обогащается одновременно кремнием и кислородом (закисью железа). При этом следует отметить, что повышение кислотности флюса может привести к высокому содержанию в сварочной ванне кремния, который восстановился из флюса. Приведенная реакция имеет очень важное значение в тех случаях, когда производится сварка низкоуглеродистых кипящих сталей. Наличие кремния в жидком металле, восстановленного из флюса, не менее 0,2 %, позволяет ликвидировать и подавить развитие в кристаллизующейся части сварочной ванны реакции образования СО и получить плотный шов.

Отрицательной стороной реакции является засорение сварного шва силикатными включениями. Наличие высокой концентрации закиси марганца (МnО) во флюсе и низкой концентрации закиси железа в нем, на границе между металлической и шлаковой фазами протекает реакция восстановления (окисления) марганца (МnО) + Fеж = (FeO) + [Mn].

Восстановлению марганца способствует высокая концентрация МnО во флюсе, повышение основности флюса и низкое содержание окислов железа во флюсе, следовательно, при малых концентрациях МnО во флюсе происходит окисление марганца, а при достаточно высокой концентрации его восстановление. Восстановление марганца из флюса содействует повышению концентрации закиси железа в системе металл — шлак и, следовательно, некоторому окислению жидкого металла в зоне плавления.

Развитию кремне- и марганцевовосстановительных реакций способствует тот флюс, который является химически активным к расплавленному металлу сварочной ванны. В этом случае происходит окисление углерода, при котором следует учитывать два обстоятельства:

1) окисление углерода, происходящее в высокотемпературной части сварочной ванны, приводит к раскислению жидкого металла;

2) окисление углерода, совершающееся в кристаллизующейся части сварочной ванны, способствует образованию пор в металле шва.

С целью погашения образования реакции окисления углерода в кристаллизующейся части сварочной ваяны, необходимо в ней иметь определенное содержание кремния (не ниже 0,1%), позволяющее получить плотный шов.

В сварочных флюсах содержится некоторое количество (до 0,15%) серы, которая является одной из наиболее вредных примесей в металле шва. Сера, в зависимости от условий, переходит из флюса в металл, или наоборот. Благоприятные условия перехода серы в металл шва (сварочную ванну) бывают тогда, когда она находится во флюсе в виде сульфида железа — FeS, который хорошо растворяется в жидком железе. Во флюсах, имеющих высокое содержание марганца, сера бывает связана в сульфид марганца (MnS), которая плохо растворяется в железе. В сварочной ванне возможны следующие химические реакции (MnS) + Feж = [FeS]  + [Mn], (MnS) + [FeO] = [FeS] + [МnО]. Превращение MnS в FeS в сварочной ванне происходит тогда, когда созданы окислительные условия и наличие малой концентрации марганца в металле. Торможению процесса превращения MnS и FeS способствует высокая концентрация марганца в металле и закиси марганца (МnО) в шлаке.

Сульфид железа FeS является вредной примесью в металле шва. В период кристаллизации сульфид железа образует в междендритных пространствах легкоплавкую эвтектику FeS·Fe (температура плавления около 940°С), способствующую образованию горячих трещин.

В процессе сварки под высокомарганцовистыми флюсами фосфор переходит из флюса в металлическую ванну. Этот процесс происходит тем полнее, чем выше кислотность флюса. Содержание фосфора в металле шва снижает его ударную вязкость. Находящаяся на поверхности свариваемых кромок ржавчина или окалина служит причиной возникновения пор в металле сварного шва.

ТЕХНИКА ПОЛУАВТОМАТИЧЕСКОЙ СВАРКИ ПОД ФЛЮСОМ

При полуавтоматической сварке под флюсом (рис. 2) сварочная проволока малого диаметра из кассеты 1 по специальному гибкому шлангу 2 передвигается подающим ме­ханизмом 3 к держателю 4, из которого она поступает в зону сварки. Сварочный ток подводится к держателю через гибкий шланг 2. Флюс в зону сварки подается либо пневматически сжатым воздухом по шлангу, либо за счет собственного веса из воронки держателя 4.

В процессе сварки сварщик перемещает держатель полуавтомата вручную вдоль линии шва. Полуавтоматической сваркой под флюсом можно выполнять различные типы сварных соединений (рис. 3).

При полуавтоматической сварке для получения качественных сварных швов применяют флюс более мелкой грануляции, чем при автоматической сварке под флюсом. Полуавтоматическую сварку под флюсом выполняют по ручной подварке, на стальной и медной подкладках, на флюсовой подушке и на весу.

Полуавтоматическую сварку по ручной подварке применяют в тех случаях, когда полуавтоматическая подварка невозможна, например, при сварке кольцевых швов цилиндрических изделий небольшого диаметра.

Медную удаляемую подкладку (рис. 4, а) применяют при сварке тонких листов, при этом требуется достаточно точная сборка и надежное прижатие кромок к медной подкладке по всей длине шва (максимальный зазор 0,25 — 0,5 мм). Для получения валика в зоне корня шва в медной подкладке делают канавку, иногда ее засыпают флюсом.

Стальную остающуюся подкладку (см. рис. 4, а) применяют при сварке тонких листов, причем допускается большой зазор между стыкуемыми элементами, чем при сварке на мед­ной подкладке, а зазоры между подкладкой и изделием должны быть не больше 1 мм. Разновидностью сварки на остающейся стальной подкладке является сварка в замок (рис. 4, б), которая применяется при наложении кольцевых швов на толстостенных цилиндрах малого диаметра.

При использовании флюсовой подушки (рис. 4, в) требуется меньшая точность сборки, чем при сварке на медной подкладке; хорошие результаты получаются как при однопроходной сварке с полным проваром всей толщины листа, так и при подварке с обратной стороны двустороннего стыкового шва. Для полуавтоматической сварки под флюсом применяются полуавтоматы ПШ-5, ПДШМ-500 и др.