активирующие флюсы и газовые смеси для сварки

Газообразные активирующие флюсы и газовые смеси для сварки сталей и
сплавов
Д.т.н. Паршин С.Г.
Изменение состава защитной среды является эффективным способом изменения
характеристик дуги. Увеличение потенциала ионизации плазмы обеспечивает высокое
напряжение дуги, плотность тока и глубину проплавления; высокая теплопроводность
газа стабилизирует положение активных пятен дуги на электродах. Наиболее важные
физические свойства некоторых газов приведены в таблице 1.
Таблица 1
Основные физические свойства некоторых газов [140]
Газ
Аг
Не
Н2
N2
СО2
Потенциал ионизации,
Ui,B
15,7
24,5
13,6
14,5
–
Сечение столкновения
g, ×10–20 м2
25
10
130
20
25
–
–
4,3
5,1
2,8
0,17
1,5
2,0
4,0
0,05
Энергия диссоциации,
×105 Дж/моль
Теплопроводность при
6000 К, Вт/м×К
Гелий имеет более высокий потенциал ионизации, в 10...15 раз большую
теплопроводность и в 10 раз меньшую плотность, чем аргон. Эти особенности
обуславливают высокий градиент потенциала в столбе дуги и температуру гелиевой
плазмы. Степень ионизации Не (при плотности заряженных частиц п – 1023 м3) соответствует
температуре 25000 К, в Аr – 16000 К. Высокая теплопроводность Не обеспечивает низкий
температурный градиент по радиусу столба дуги и высокое термическое давление газа,
благодаря чему при добавлении гелия к аргону происходит сжатие анодного пятна.
Применение Не вместо Аr при сварке меди и алюминия неплавящимся электродом
увеличивает глубину проплавления и уменьшает ширину сварного шва, зону термического
влияния и количество газовых пор [141, 142, 143]. Из-за высокой стоимости гелия его
используют в качестве добавки к аргону в количестве от 30 % до 75 %. В ряде случаев для
повышения устойчивости дуги, улучшения формирования швов, устранения пор и
увеличения глубины проплавления применяют смеси инертных газов с молекулярными
газами, например при сварке меди используют смесь Аr + (10...30) % N2, при сварке сталей –
Аr + 5 % О2, Аr + (10...20) % СО2 [13, 107].
Состав газовой среды оказывает влияние не только на характеристики дуги, но и на
величину поверхностного натяжения. Например, поверхностное натяжение стали 1X18H9T в
атмосфере технического аргона составляет 1,32…1,6 Н/м, тогда как в атмосфере гелия
высокой чистоты 0,7...0,94 Н/м [144]. Уменьшение поверхностного натяжения способствует
погружению дуги и увеличению глубины проплавления металла [43, 81].
Контрагирование дуги в смеси аргона с гелием использовали при сварке
алюминиевых и магниевых сплавов для разрушения жаропрочной окисной пленки на
прямой полярности [145, 146, 147, 148]. С увеличением гелия в газовой смеси, диаметр
анодного пятна уменьшился, а плотность тока увеличилась [149]. При короткой дуге, по
мнению авторов, на тепловложение и плотность тока влияет поток электронов, а при
длинной дуге преимущественно теплопроводность газа. Уменьшение сечения дуги
происходит за счет тепловых потерь, которые возрастают с увеличением
теплопроводности газа.
Сварку на прямой полярности в гелии применили для глубокого проплавления
алюминиевых сплавов [148]. Проплавление увеличилось в 1,8…2 раза, а тепловложение
уменьшилось в 1,5…2 раза. Такой процесс производился при малой длине дуги на
сварочном автомате. Для сварки плавящимся электродом угловых и нахлесточных
соединений из магниевых сплавов хорошую стабильность дуги обеспечила сварка в
смеси Аr+O2, Ar+He+O2. Гелий в смеси предотвращал образование пор и несплавлений.
Добавление N2, CO2 и H2 считают нежелательным из-за отрицательного
металлургического воздействия [150]. Смеси Ar+He применяли также при сварке
переменным током, что увеличило скорость сварки и улучшило формирование сварного
шва. С увеличением гелия ширина шва и количество пор уменьшились [150].
Контрагирование дуги отмечали при введении активных молекулярных газов и
газовых смесей, в воздухе, в азоте, в кислороде и углекислом газе, при различной форме
и материале электродов [134, 135]. Например, сильное сжатие дуги происходит при
механизированной сварке в среде углекислого газа [151], что увеличивает глубину
проплавления металла и плотность тока, но в тоже время ухудшает капельный переход,
стабильность горения дуги, формирование шва, вызывает разбрызгивание и появление
мощных плазменных струй [14, 15]. Тепловая мощность дуги растет с увеличением
примесей в инертном газе. Двухатомные газы
в столбе дуги диссоциируют, а
дополнительная затрата энергии на диссоциацию вызывает увеличение напряжения дуги,
особенно при малых количествах примесей [152, 81].
При введении 10 % CO2 в аргон напряжение дуги возросло от 11,5 В до 14, 5 В, что
объяснили изменением степени ионизации, теплоемкости, теплопроводности и затратами
энергии на диссоциацию CO2 [153]. Полная и эффективная мощность дуги возросла от
0,51 до 0,68. Отмечали уменьшение диаметра столба дуги и возникновение ореола вокруг
дуги. Проплавление увеличилось с 1,2 до 2,8 мм, а ширина уменьшилась с 6,1 до 4,9 мм
при токе 200 А. Увеличение проплавления, по мнению авторов, связано с тем, что при
сжатии столба дуги увеличивается теплопередача и давление плазмы на сварочную
ванну.
При введении в аргон 1…8 % азота, размеры столба дуги уменьшились, а вокруг
дуги и торца электрода возник голубой ореол [154]. Введение азота увеличило анодное
напряжение, независимо от материала анода, что авторы объяснили ростом ионного
тока. Для стального анода введение 4 % N2 увеличило плотность тока в 1,4…1,6 раза.
При введении 8 % азота ток уменьшился с 100 А до 94 А с, а напряжение дуги возросло
на 0,85…1 В. Введение N2 менее 4 % не влияло на напряженность дуги, а более 8 %
ухудшило стабильность горения дуги.
В работе [136] увеличили проплавление стали при сварке вольфрамовым
электродом путем введения в аргон SO2 в количестве 0,05…0,14 %.
Свойства дуги при сварке вольфрамовым электродом исследовали в среде азота,
аргона и гелия [155]. Эффективный, термический КПД и глубина проплавления в азоте
выше, чем в аргоне и гелии. Разрывная длина дуги в аргоне в 2…4 раза больше чем в
гелии и азоте, а разрывная длина дуги в гелии на 3…4 мм больше чем в азоте. Дуга в
азоте имела температуру и теплопроводность близкую к плазме аргона, что объяснили
высокой степенью ионизации плазмы азота и возникновением мощных плазменных струй,
в то время как в аргоне они незначительны, а в гелии отсутствуют. Такое предположение,
представляется достоверным, если учитывать мощное влияние реактивных плазменных
струй на процесс капельного переноса при сварке в среде молекулярных газов [14, 15, 16,
36, 81, 156].
Введение O2, N2, CO2, Н2 в аргон при сварке вольфрамовым электродом
ограничивают из-за неблагоприятного воздействия на сварочную ванну и разрушения
электрода [82]. Применение смесей аргона и 2…5 % О2 при сварке плавящимся
электродом используют для снижения разбрызгивания, улучшения капельного перехода и
стабильности формирования шва [14]. Введение N2 применяют при сварке медных
сплавов, однако при сварке сталей плавящимся электродом введение 1 % N2 приводит к
резкому снижению ударной вязкости и возникновению пор [17, 134].
В работе [117] для улучшения формирования шва, устранения подрезов при
плазменной сварке в состав аргона вводили водород.
Таким образом, введение в аргон простейших газов с высоким потенциалом
ионизации и энергией разрыва связей является одним из способов контрагирования дуги,
по-видимому, за счет тепловых потерь при эндотермических реакциях диссоциации
устойчивых молекулярных соединений.
Введение газообразных флюсов
Введение газообразных галогенидов для увеличения проплавляющей способности
дуги при сварке вольфрамовым электродом в нашей стране применяется сравнительно
недавно, с 1974 года, когда
были разработаны смеси аргона с газообразными
соединениями галогенидов, вызывающие значительный рост напряжения и плотности
тока в дуге [42]. Влияние газовых флюсов на дуговой разряд существенно отличается от
влияния обычных газов, которое в основном сводится к изменению потенциала
ионизации, сечения соударения и теплопроводности атмосферы дуги [25, 42].
В качестве газовых, парообразных и жидких активирующих сред применяли смеси
инертных газов с O2, N2, H2, Cl2, CO2, SO2, галогенидами серы, бора, углерода, фреонами
систем C–Cl–F, C–Br–F, C–F [109], водяным паром, аммиаком, парами угольной и соляной
кислоты, полимерами. Такие соединения вводили, как правило, в защитный газ и
называли «газовыми флюсами», данный термин был впервые использован в процессах
пайки [157, 158, 159].
Для увеличения проплавления разработали смеси аргона с газами: O2, N2, CО2, Cl2
[141, 160], газообразными фторидами [161], хлоридами [115], хладонами [160, 162–164],
газообразными фторидами и хлоридами: BF3, CF4, SF5, SF6, BCl3, CCl2F2 [25, 26, 40–42,
165] и др. Большинство газообразных галогенидов ядовиты, оказывают вредное и
раздражающее действие [40, 161],
а хладоны и фреоны отвергнуты промышленностью из-за разрушения озонового слоя
атмосферы Земли. Наиболее применимы нейтральные SF6, BF3 [165].
В работе [25] определяли состав газовой смеси для достижения максимального
проплавления. Введение SF6 при концентрации 1,5…2,5 % увеличило эффективную
мощность дуги на 30…50 %. При введении до 5 % SF6 в аргон напряжение, мощность и
глубина проплавления увеличились. Прирост Нпр для стали 25ХСНВФА составил 60 %,
для сплава ОТ4 – 300 %. Исследования выявили, что глубина проплавления
увеличивается с ростом напряжения дуги. Исследовали также смеси аргона с фреоном,
азотом, CO2, элегазом при концентрации до 3 %. Максимальное проплавление
обеспечила смесь гелия с SF6, затем аргона с SF6, затем аргона с CCl2 F2 и аргона с CO2.
При введении данных примесей в количестве 2…5 % происходит резкий рост, а затем
стабилизация напряжения дуги. Введение азота и гелия вызвало почти линейное
увеличение напряжения дуги с ростом их концентрации.
Введение в аргон 0,02…0,5 % BF3 увеличило напряжение дуги на
1…2 В, как в
столбе дуги так и в приэлектродных областях [42]. Температура вольфрамового
электрода и эффективный КПД дуги увеличились на 8…10 %, а величина теплового
потока с 3,3 кВт/см2 до 4,46 кВт/см2. Аналогично действуют газообразные соединения
WF6, SF6, пары SiCl4, CCl4 и др.
Причиной эффекта авторы посчитали деионизацию границ столба дуги галогенами.
Дугу исследовали методом зондирования при введении
0,6…3,6 % SF6 [26]. До 1,5 %
SF6 диаметр зоны электропроводности дуги уменьшался, а затем стабилизировался. При
повышении тока диаметр дуги увеличивался, но с SF6 менее интенсивно. Зона
электропроводности уменьшилась в 2 раза, а форма дуги изменилась от конусной до
цилиндрической, подобно сжатой дуге. Напряжение дуги изменилось за счет градиента
потенциала в столбе дуги, а сумма приэлектродных падений напряжения осталась
незначительной.
Например при введении 2,4 % SF6 общее напряжение дуги 13 В интегрируется
следующим образом: Uк=4,71 В; Uа=4,59 В; Uст=3,73 В, в аргоне без SF6 Uк=5,75 В; Uа=3,08
В; Uст=1,74 В. Причиной увеличения проплавления, авторы посчитали увеличение
анодного напряжения [166], а в другой работе изменение теплопроводности столба дуги
[41]. Контрагирование дуги при введении SF6, может быть связано с большим сечением
захвата молекулы
10-15 см2 [47] и высокой теплопроводностью SF6 по сравнению с
аргоном [25].
В работе [109] изучали процесс сварки алюминия плавящимся электродом в смеси
аргона и фреонов C-Cl-F, C-Br-F, C-F при содержании до 2 %. Фреоны положительно
влияли на стабильность горения дуги, перенос металла и формирование шва. Эффект
увеличения глубины проплавления можно объяснить не только ростом прианодной
мощности дуги, но и изменением направления и интенсивности конвективных потоков в
сварочной ванне под влиянием усиления газодинамической силы плазменной струи и
снижения межфазного натяжения металла [46, 53, 167].
Однако, исследования показали, что введение SF6 в смеси с аргоном уменьшает
газокинетическую силу плазмы [53, 168]. Имеются и противоположные результаты,
возникновение которых, по-видимому, заключается в разной методике исследований.
Например, на водоохлаждаемом аноде анодное пятно распределяется по поверхности
металла без образования сварочной ванны, а в реальных условиях пятно погружается в
сварочную ванну, что кардинально изменяет силу плазменных потоков и конвекцию
сварочной ванны [22, 43, 46, 49, 57, 65].
Данная гипотеза подтверждается и тем, что увеличение проплавления происходит
не только при электродуговой сварке. Аналогичное явление отмечали при лазерной
сварке по флюсу, по мнению авторов, из-за изменения конвекции сварочной ванны [169].
Введение газообразных галогенидов ССl2F2 и SF6 при лазерной сварке в среде гелия
также увеличило глубину проплавления, якобы за счет подавления плазменного факела
[116]. В работе [115] при плазменной сварке вводили 1…5 % хладона-12 (ССl2F2) или
хладона-14 (СF4). Хладоны увеличили глубину проплавления в 2…2,8 раза, а степень их
влияния зависела от свойств материала. Проплавление при плазменной сварке удалось
увеличить за счет введения серы и кислорода в аргон [11].
Известно, что твердые активирующие флюсы образуют шлаковую пленку на
поверхности сварочной ванны, что в условиях интенсивной конвекции способствует
металлургической обработке металла шлаком. В результате улучшаются механические
свойства шва за счет микролегирования, рафинирования, удаления оксидов,
направленной кристаллизации, уменьшения зоны термического влияния [170*]. Но такое
влияние обеспечивается при рациональном составе флюса, который должен создаваться
на основе термодинамических расчетов металлургических процессов в сварочной ванне
[171, 172].
Сведений о влиянии газообразных флюсов на механические свойства сварных
соединений немного. В работе [115] исследовали влияние хладона-12 на инконель:
предел текучести увеличился на 22…32 %, а прочность уменьшилась на 5…9 %.
Подобным образом влияют твердые флюсы при аргонодуговой сварке теплоустойчивых
сталей [173*, 174*]. В работе [175] определили влияние смеси аргона с SF6 и ССl2F2 на
сварку сплавов ОТ4, ВТ-1-2 и сталь 12Х18Н10Т. Прочность данных металлов не зависела
от введения примесей в количестве до 2,5 %, но ударная вязкость заметно уменьшилась.