Сварочные флюсы Защита сварочной зоны

В процессе газовой и электродуговой сварки высокотемпературная зона обработки чрезвычайно увеличивает свою химическую активность. Следствием являются интенсивное окисление металла, испарение части материала сварочной проволоки, снижение интенсивности металлургических процессов, что препятствует эффективному плавлению. Наконец, с увеличением продолжительности сварки в ванне начинается скапливаться всё больше шлаков. Поэтому такую зону необходимо эффективно изолировать, что и выполняется сварочными флюсами – неметаллическими композициями с определённым набором свойств.

Принцип действия

Типовая сварочная зона при установившейся стадии процесса включает в себя следующие области:

Зону дугового столба с внутренней температурой не менее 4000…5000 °С.

Зону газового пузыря, которая образуется вследствие интенсивного атомарного испарения компонентов в кислородной среде.

Шлаковый расплав, который, будучи легче металла, располагается в верхней части газовой полости.

Слой расплавленного металла в нижней части полости.

Шлаковую корку, которая образует верхнюю, твёрдую границу сварочной зоны.

Кроме того, свой вклад в поведение свариваемого металла вносит также сварочная проволока. Таким образом, при всех разновидностях сварки в миниатюре моделируется обычный металлургический процесс получения металла, но без защитного покрытия и чёткой протяжённости, которые в первом случае ограничиваются объёмом мартеновской или электропечи. Обезопасить свариваемый металл от окисления и шлаковой корки, ухудшающей качество готового шва можно, применив непрерывную подачу в сварочную зону легкоплавких и в то же время – химически инертных компонентов. Ими и являются сварочные флюсы. Они могут применяться также для целей поверхностной наплавки. Применение флюсов снижает уровень пыли, которая всегда образуется при сварке. При использовании данных материалов должны обеспечиваться следующие условия:

Сварочный флюс не должен снижать производительность сварки, а, наоборот, стабилизировать её;
Материал не должен вступать в химические реакции, как с основным металлом, так и с металлом сварочной проволоки;
На протяжении всего рабочего цикла должна обеспечиваться изолированность зоны сварочного пузыря от окружающей среды;
После окончания процесса остатки флюса, связываясь со шлаковой коркой, должны легко удаляться из зоны обработки. При этом до 70…80% материала флюса можно, после соответствующей очистки, вновь использовать при сварке.

Эти требования довольно сложны и противоречивы, поэтому оптимальный состав и технология подачи сварочных флюсов определяется под конкретный вид сварки, конфигурацию соединяемых частей металла и производительность процесса.

Классификация сварочных флюсов

Все разновидности сварочных флюсов характеризуются следующими параметрами:

Своим внешним видом – могут быть порошковидными, зернистыми/кристаллическими, пастоподобными и даже газовыми. Например, для целей электросварки или наплавки оптимальными считаются сварочные флюсы в виде порошка или мелких гранул (при этом материал должен обладать ещё и соответствующими показателями электропроводности). В то же время при газосварке или пайке лучше применять флюсы в виде паст, порошка или газа.

Химическим составом, к которому предъявляются требования химической инертности при весьма высоких температурах, а также способности к эффективной диффузии некоторых составляющих флюсов в металл сварного шва.

Способом получения. Различают плавящиеся и неплавящиеся флюсы. Первые эффективнее при наплавке, когда поверхность металла должна быть эффективно дополнена иными химическими элементами (например, для улучшения внешнего вида и повышения антикоррозионных свойств). Неплавящиеся флюсы призваны улучшить механические показатели готового шва, поэтому их используют при сварке высокоуглеродистых сталей и цветных металлов, например, алюминия, которые в обычных условиях плохо свариваются.

По своему назначению. Например, легированная сварочная проволока с флюсом позволяет улучшить химсостав, и повысить уровень механической прочности исходного металла. Особо ценятся флюсы универсального применения, которые можно использовать не только для сварки стали, но также для сварки цветных металлов и сплавов.

Типовыми составляющими любого сварочного флюса являются кремнезём и марганец. Однако для целей легирования в состав флюсов могут включаться различные ферросплавы и металлы.

Классификацию рассматриваемых материалов часто производят также и по их марке. Она определяется предприятием-разработчиком. Например, все марки флюсов, которые были разработаны Институтом электросварки имени Патона, в своём обозначении обязательно имеют буквы АН (академия наук). Своё «фирменное» обозначение ФЦ имеют и флюсы, разработанные Центральным НИИ транспортного машиностроения. Несмотря на то что рецептура практически всех флюсов стандартизирована (например, флюсы, предназначенные для автоматической сварки под флюсом, выпускаются по требованиям ГОСТ 9087), единой маркировки данных материалов нет.

Технология получения

Она определяется химическим составом сварочного флюса.

Неплавленые флюсы имеют керамическую основу, и получаются механическим измельчением компонентов на шаровых мельницах. В зависимости от размера фракций такие флюсы подразделяются на мелкие с размером зерна 0,25…1,0 мм, и нормальные, с размером зерна до 3…4 мм. Первые применяются при сварке проволокой небольших диаметров, не превышающих 1,0…1,5 мм; в обозначение таких флюсов добавляют букву М. В случае значительного количества компонентов в марке неплавленого флюса, их предварительно связывают между собой склеиванием, а затем уже размалывают до требуемого размера частиц.

В состав неплавленых флюсов входят, кроме кремнезёма, марганцевая руда, ферросплавы, металлические порошки и оксиды некоторых элементов. Критерием отбора считается способность этих компонентов усиливать металлургические процессы, которые протекают в зоне сварки. В результате улучшаются условия для поверхностного легирования и раскисления металла, сварной шов приобретает более мелкозернистую структуру, а количество вредных примесей в шве уменьшается. Легирующие способности неплавленых флюсов позволяет применять более дешёвую сварочную проволоку.

Вместе с тем, неплавленые флюсы имеют и свои недостатки. Например, их упаковка должна быть гораздо более тщательной, поскольку все компоненты таких флюсов гигроскопичны и легко впитывают влагу, ухудшающую качество материала. Неплавленые флюсы более требовательны к соблюдению технологического процесса сварки, поскольку при этом могут существенно измениться условия легирования.

К неплавленым флюсам относят также магнитные. По своей эффективности они подобны керамическим, но содержат дополнительно ещё железный порошок, что увеличивает производительность сварки.

Плавленые флюсы используются преимущественно в технологиях автоматической сварки всех разновидностей. Технология их получения более сложная, и включает в себя следующие этапы:

Подготовку, и размол всех компонентов, которые должны быть в составе флюса (кроме тех, что используются в неплавленых флюсах, туда включают также плавиковый шпат, глинозём, мел и ряд других);
Перемешивание механической смеси в специальных вращающихся мельницах;
Плавку в газопламенных печах с защитной атмосферой или в электродуговых печах;
Гранулирование, которое выполняется для того, чтобы итоговые фракции имели нужных размер зёрен. Для этого расплав флюса выпускается в воду, где и затвердевает в шарообразные частицы;
Сушку во вращающихся сушильных барабанах;
Окончательное просеивание и упаковку.

Плавленые сварочные флюсы состоят из оксида марганца и кремнезёма SiO2. Марганец обеспечивает восстановление оксидов железа, которые постоянно образуются в процессе сварки, а также связывает находящуюся в шлаках серу в сульфид, который впоследствии легко удаляется с поверхности сварного шва. Кремний, в свою очередь, повышает сплошность металла в зоне шва, поскольку препятствует росту концентрации окиси углерода при сварке. Хорошие раскисляющие свойства кремния способствуют увеличению однородности химического состава металла при сварке под флюсом.

Плавленые флюсы имеют прозрачную или светло-жёлтую окраску. Их плотность не превышает 1,6…1,8 г/см3.

Действие сварочных флюсов при проведении сварки

Для ручной сварки флюс насыпается слоем толщиной до 60 мм на поверхности металла, которые прилегают к будущему стыку. При недостаточной толщине слоя флюса может быть непровар металла, с образованием трещин и раковин. После этого возбуждается разряд (при электросварке) или поджигается горелка – при газопламенной. По мере перемещения сварочного электрода слой флюса подсыпается на новые поверхности. Поскольку размеры столба в дуги больше высоты флюса, то разряд протекает полностью в жидком расплаве компонентов, которые воздействуют на металлический расплав с удельным давлением до 8…9 г/см2. В результате проведения сварки под флюсом исключается разбрызгивание металла, сокращается расход сварочной проволоки и повышается производительность процесса. Это происходит потому, что наличие флюса позволяет использовать более высокие значения рабочего тока без опасности получения прерывистого сварочного шва. Для сравнения – токи 450…500 А при открытой сварке применять невозможно, т. к. дуга выплёскивает металл из сварочной ванны.

В условиях автоматической или полуавтоматической сварки сварочные флюсы используются так. Флюс подаётся из бункера по специальной трубке. Чуть позже включается подача электродной проволоки с катушки, которая расположена после ёмкости с флюсом. По мере выполнения сварки часть флюса, которая не была использована и связана шлаками, пневматически отсасывается в специальную ёмкость. Расплавленная и охлаждённая шлаковая корка впоследствии механически удаляется с поверхности сварного шва.

Положительными факторами применения сварочных флюсов являются:

Отсутствие потребности в предварительной разделке кромок будущего шва, поскольку при больших токах (для электросварки), либо повышенной концентрации кислорода (при газовой сварке) расплавление металла протекает значительно интенсивнее.

Отсутствие угара металла, как в зоне шва, так и на поверхностях, которые прилегают к нему. Всё это сопровождается повышением качества готового сварного шва.

Более устойчивое горение дуги.

Увеличение КПД источника питания, поскольку снижаются потери энергии, затрачиваемой на нагрев металла, его разбрызгивание и повышенного расхода сварочной проволоки с флюсом.

Более комфортные условия труда сварщика, поскольку значительная часть пламени дуги экранируется слоем флюса.

Ограничением для применения сварочных флюсов считается невозможность быстрого осмотра места выполненной сварки. Это повышает требования к качеству подготовительных работ, особенно, если сваркой соединяют детали сложной конфигурации. Кроме того, сами флюсы достаточно дороги, а их расход сопоставим с затратами на сварочную проволоку.