Классификация и изготовление флюсов

Введение

Способ сварки под флюсом возник в середине 30-х годов XX ст. Сначала флюсы использовали для сварки углеродистых сталей, легированных марганцем и кремнием, а также как средство для механической защиты дуги от влияния внешней среды. С развитием металлургии, созданием легированных сталей возникла необходимость легирования металла сварочной ванны, что обусловило появление флюсов, которые способны осуществлять металлургический влияние на сварочную ванну. С появлением высокопрочных низколегированных сталей определилась еще одна функция сварочных флюсов - рафинирования металла шва.

Сварочные флюсы предназначены для защиты сварочной ванны от окружающей среды и легирования металла шва. Они используются при полуавтоматической и автоматической сварке под флюсом, а также при электрошлаковых процессах.

Другое назначение имеют флюсы, что применяются при газовой  и дуговой сварке угольным электродом. Такие флюсы служат для удаления из металла шва неметаллических включений, для защиты от окисления кромок металла и присаживаемого  проволоки.

Флюсы для дуговой сварки должны обеспечивать:

защита зоны сварки от воздуха;

устойчивость горения дуги;

качество формирования металла шва;

плотность шва;

устойчивость против образования трещин;

разделение  шлака после застывания;

розкисленим   металла шва;

легирования металла шва;

уменьшение расходов электродного металла на выгорания и разбрызгивания.

Изготовление

Сварочные флюсы можно разделить на отдельные группы по способу изготовления, химическому составу, по основности, химической активности, назначению, строению и размеру зерен и т. д.

Классификация по способу изготовления. В зависимости от способа производства флюсы подразделяют на плавленые, керамические и плавлено-керамические.

Керамические флюсы производят в виде крупки, получаемой при смешении шихты определенного состава на связующем (жидкое стекло) с последующей грануляцией и прокалкой при соответствующих температурах. Некоторые марки керамических флюсов получают без добавок связующего за счет спекания шихты. Указанные флюсы применяют преимущественно при наплавке, поскольку они позволяют легировать наплавляемый металл в широких пределах. Для этой цели во флюсы вводят металлические порошки и ферросплавы. Керамические флюсы при сварке применяют реже. В больших объемах их используют для этой цели в зарубежной практике.

Плавленые флюсы получают сплавлением компонентов шихты в электрических или пламенных печах с последующей грануляцией расплава мокрым способом в воде, сухим дроблением застывшего шлака и распылением жидкой струи расплава воздушным потоком.

Плавлено-керамические флюсы включают два метода изготовления с целью повышения сварочно-технологических свойств флюса. В частности, использование плавленого флюса в качестве шлакообразующей основы керамического флюса позволяет улучшить технологические свойства последнего в формировании наплавленного металла, уменьшения газовыделений, стабильности горения дуги, отделимости шлаковой корки и т.п., поскольку керамические флюсы по сравнению с плавлеными обычно обладают худшими сварочно-технологическими свойствами.

В соответствии с ГОСТ 9087--69 в СССР централизовано изготовляют и поставляют флюсы следующих марок: АН-348-А, АН-348-АМ, ОСЦ-45, ОСЦ-45М, АН-8, АН-20С, АН-20СМ, АН-20П, АН-22, АН-26С, АН-26П, АН-26СП, АН-60 и ФЦ-9.

Флюсы первых трех марок могут выплавляться в пламенных и электрических печах. Флюсы всех остальных марок -- только в электрических.

Флюсы всех перечисленных марок должны изготовляться с учетом требований ГОСТ 9087--69 «Флюсы сварочные плавленые». Их химический состав должен соответствовать указанному в табл.

Флюсы поставляются в виде однородных по строению зерен без включений инородных частиц, в том числе нерастворившихся частиц сырьевых материалов: угля, кокса, стружки и т. п. Допускается содержание частиц инородных материалов в навеске не более одной штуки для флюсов марок АН-26С, АН-26П и АН-26СП и не более десяти штук для флюсов остальных марок. Влажность отправляемого потребителям флюса АН-60 не превышает 0,05, а остальных -- 0,1 %. Флюсы поставляются партиями. Партия состоит из флюса одной марки.

Масса партии не превышает 60 т. Каждая партия флюса подвергается перемешиванию для получения однородного состава.

Флюсы АН-348-А, АН-348-АМ, ОСЦ-45, ОСЦ-45М, АН-60 и ФЦ-9 предназначены для механизированной сварки и наплавки углеродистых и низколегированных сталей углеродистой и низколегированной сварочной проволокой.

Около половины годового выпуска флюсов при выплавке в пламенных печах составляет флюс АН-348-А. Флюс предназначен для автоматической сварки низкоуглеродистой и некоторых марок низколегированных сталей проволокой диаметром

3 мм и более. Флюс АН-358-АМ предназначен для автоматической и полуавтоматической сварки тех же сталей проволокой диаметром до 3 мм.

Флюс ОСЦ-45 обычно выплавляют в пламенных печах и при этом получают продукт со стекловидным строением зерен.

 Классификация по химическому составу.

В зависимости от химического состава шлаковой основы сварочные флюсы подразделяют на три группы: оксидные, солевые и солеоксидные. Оксидные флюсы состоят из оксидов металлов и могут содержать до 10 % фтористых соединений. Их преимущественно применяют для сварки углеродистых и низколегированных сталей. флюсы солевой группы состоят из фтористых и хлористых солей металлов, а также из других, не содержащих кислород химических соединений. Их применяют для сварки активных металлов, таких, как алюминий, титан и др., а также в электрошлаковой технологии.

Флюсы солеоксидной группы состоят из фторидов и оксидов металлов. Это группа флюсов наиболее широко применяется при сварке и наплавке средне- и высоколегированных сталей и сплавов.

Оксидные флюсы построены преимущественно на базе шлаковой системы MnO - SiO2, хотя имеются оксидные флюсы на базе других шлаковых систем. Наиболее распространено деление флюсов по содержанию в них оксидов кремния и марганца: по содержанию кремнезема - бескремнистые (количество SiO2 в виде примеси до 5 %), низкокремнистые (6 - 35 % SiO2) и высококремнистые (более 35 % SiO2); по содержанию марганца - безмарганцовистые (количество МnО в виде примеси до 1 %), низкомарганцовистые (до 10 % МnО), среднемарганцовистые (15-30 % МnО) и высокомарганцовистые (более 30 % МnО).

Классификация по основности.

Химическое воздействие расплавленного флюса-шлака на металл шва в значительной степени определяется соотношением в его составе кислых, основных и амфотерных оксидов. К основным оксидам относят, например, CaO, MgO, MnO, FeO и др., к кислым SiO2, TiO2, ZrO2. Оксиды алюминия (А12О3) и железа (Fe2O3) имеют амфотерный характер. Если в составе флюса содержится много кислых оксидов, то А12О3и Fe2O3 ведут себя как основные оксиды; если во флюсе большую часть составляют основные Оксиды - то как кислые. Фториды и хлориды обычно считают химически нейтральными соединениями.

Классификация по назначению.

Современные флюсы в зависимости от их назначения и преимущественного применения разделяют на флюсы, предназначенные для дуговой механизированной сварки и наплавки, электрошлаковой сварки и пайки. Это разделение в некоторой степени условно, так как флюсы, применяемые для дуговой сварки, можно, например, использовать и при электрошлаковой сварке, а флюсы, преимущественно используемые для сварки и наплавки металлов и сплавов одной группы, могут быть с успехом использованы для сварки и наплавки металлов другой группы. Вместе с тем флюсы, предназначенные для сварки одних цветных металлов или легированных сталей, могут оказаться совершенно непригодными для сварки или наплавки других цветных металлов или   некоторых   легированных сталей.

Различают флюсы общего назначения и специальные. флюсы общего назначения предназначены для механизированной дуговой сварки и наплавки углеродистых и низколегированных сталей низкоуглеродистой или низколегированной проволокой, специальные флюсы - для отдельных видов сварки, например электрошлаковой или сварки высоколегированных сталей.

По сложившейся в отечественной практике традиции марка флюса обычно указывает наименование разработчика и порядковый номер флюса. Примеров тому немало. Так, флюсы, разработанные ИЭС им. Е. О. Патона, имеют сериал, обозначенный буквенными индексами «АН» (АН-348-А, АН-20; АН-22 и др.), что означает -- «Академия Наук». Флюсы, предложенные НПО ЦНИИТМАШ, имеют сериал «ФЦ» - «флюс ЦНИИТМАШ» и т. д. Наряду с этим были попытки ввести индексы, в какой-то степени характеризующие состав флюса, например, ОФ-6 и ОФ-10 (основной флюс), КФ-16 (кислый флюс), НФ-17 (нейтральный флюс). Однако эта практика до сих пор не получила широкого распространения среди разработчиков флюсов.

За рубежом наряду с марками для обозначения сварочных и металлургических характеристик флюсов получила распространение определенная унифицированная система символов. Первыми стоят цифры, указывающие количество сотен ампер максимально допустимого сварочного тока, при котором процесс сварки проволокой диаметром 5 мм еще идет без затруднений. Если флюс пригоден для сварки со скоростью свыше 60 м/ч, то после цифр в символе стоит латинская буква «s». В противном случае буква «s» не ставится.

Вид сварочного тока обозначается буквами «а» (флюс пригоден для сварки на постоянном и переменном токе), или «b» (только на постоянном токе). Для обозначения рекомендуемого напряжения холостого хода источника UХХ служат латинские буквы «x» (UХХ  ≤ 65 В), «y» (UХХ =65-80В) = 65-4-80 В) или «z» (UХХ  ,>80 В).

Классификация флюсов по внешним характеристикам зерен.

По строению частиц (крупки) плавленые флюсы подразделяют на стекловидные, пемзовидные и кристаллические. Стекловидный флюс представляет собой прозрачные зерна различных оттенков (коричневого, зеленого, синего, черного и белого цветов). Пемзовидный флюс имеет зерна пенистого материала, а кристаллический флюс характеризуется кристаллическим строением зерен. Окраска этих флюсов может быть также самой разнообразной.

Объемная масса пемзовидных флюсов составляет 0,6-1 кг/дм3, стекловидных и кристаллических 1,4-1,8 кг/дм3. Промежуточное положение занимают флюсы полупемзовидного строения.

Согласно ГОСТ 9087-81 флюс поставляется с размером зерен 0,25-4 мм, причем для механизированной дуговой сварки предназначен флюс с размером зерен 0,25-1,6 мм, для автоматической дуговой - с размером зерен 0,25-2,5; 0,25-4; 0,35-3 и 0,35-4 мм.

Согласно рекомендации СЭВ по стандартизации сварочных плавленых флюсов их подразделяют по размеру зерен на группы (табл. 2.4). По рекомендации МИС марка флюса должна содержать две группы символов, служащих для обозначения способа изготовления и химического состава. На способ изготовления указывает первая буква обозначения: F - плавленый, В - керамический и М - механическая смесь.

Современные представления о природе и свойствах флюсов - шлаков

Современные флюсы-шлаки в зависимости от их назначения разделяются на флюсы, предназначенные для дуговой сварки и наплавки, электрошлаковой сварки, пайки. Это разделение в некоторой степени условно, так как флюсы, применяемые для дуговой сварки, могут, например, использоваться и при электрошлаковой сварке и т. д.

Сварочные флюсы-шлаки, используемые при автоматической сварке и наплавке, играют важную роль. Они должны обеспечивать надежную защиту зоны плавления от воздействия азота и кислорода атмосферы, гарантировать хорошее формирование шва или валика, легкую отделимость шлаковой корки, отсутст

вие пор, трещин и других дефектов сварки. Для выполнения указанных требований флюсы должны обладать определенными: физико-химическими свойствами.

К физическим свойствам флюсов-шлаков относят температуру размягчения и плавления, теплоемкость, теплосодержание, плотность, вязкость, электропроводность (в жидком состоянии), газопроницаемость, коэффициент объемного расширения и др. В особую группу физических свойств флюсов выделяют поверхностное и межфазное натяжения, электрокапиллярные явления на гетерогенной границе с металлом, а также смачивание и растекание, от которых зависит сила сцепления шлака с металлом.

Несмотря на то, что по количественным показателям ряда физических свойств флюсов-шлаков общие рекомендации не достаточно точны, некоторые положения можно сформулировать на базе имеющихся результатов исследований и сварочной практики.

Одна из важных физических характеристик флюса-шлака -- его вязкость в расплавленном состоянии, от которой зависят характер формирования шва, глубина проплавления основного металла, выход газов из зоны плавления и т. п. Шлаки изменяют вязкость в широком диапазоне температур, поэтому и их температура плавления довольно условна. В отличие от металлов и солей шлаки не имеют точных температур перехода из жидкого состояния в твердое. Этот переход происходит в некотором интервале температур. Для шлаков, как и для всех аморфных тел, установлены границы, определяющие три различных состояния вещества в зависимости от их вязкости: жидкотекучее при n<10 П; вязкое при n = 102-103 П; хрупкое при n> 103 П.

Соответственно назначают температуры плавления, причем под плавлением понимают переход из вязкого состояния в жидкотекучее. Переход из хрупкого состояния в вязкое именуют размягчением. В зависимости от характера изменения вязкости от температуры шпаки бывают «длинные» и «короткие». Если: плавление флюса-шлака происходит в широком диапазоне температур, то шлак называют длинным, если в узком -- коротким. 

Электропроводность флюса в жидком состоянии -- также одна из важных физических характеристик. Высокая электропроводность шлака при электрошлаковой сварке -- несомненно положительный фактор. Что же касается дуговой сварки под флюсом, то повышенная электропроводность жидкого шлака может стать отрицательным его свойством, поскольку значительное шунтирование тока через жидкий шлак может привести к нарушению формирования шва (валика), особенно при наплавке лентой.

В особую группу физических свойств выделяют поверхностные свойства на границе гетерогенной системы металл-шлак. Одной из основных характеристик жидких и твердых тел является свободная энергия на поверхности, существование которой проявляется в хорошо известном стремлении жидкостей принять форму, характеризующуюся минимальной поверхностью. Это стремление поверхности жидкости к сокращению обусловлено силами межмолекулярного взаимодействия и объясняется следующим образом. Молекулы, находящиеся в объеме далеко от поверхности жидкости ,окружены со всех сторон другими молекулами и испытывают в среднем одинаковое притяжение во всех направлениях. Поверхностный слой ведет себя как туго натянутая пленка, поскольку в этом случае каждая молекула лишь частично окружена соседними и испытывает притяжение, направленное внутрь и в сторону, но не испытывает уравновешивающего притяжения со стороны граничащей фазы, например, воздуха, так как в газообразной фазе число молекул значительно меньше, чем в жидкости.

При увеличении поверхности вещества в наружный слой должно войти изнутри некоторое дополнительное количество молекул, а для этого они должны преодолеть межмолекулярные силы притяжения, другими словами, совершить работу. Эта работа и переходит в поверхностную энергию.

Величина, численно равная работе обратимого изотермического образования единицы поверхности жидкого или твердого тела, называется коэффициентом поверхностного натяжения пли удельной свободной поверхностной энергией.

Свободной поверхностной энергией обладают также и поверхности раздела между любыми несмешивающимися жидкостями, а также твердыми телами. В этом случае избыток свободной энергии чаще всего имеют межфазной свободной энергией.

Образование молекулярных связей на границе раздела между соприкасающимися фазами требует затрат энергии на их разделение. Эта работа называется работой адгезии. В случае соприкосновения двух несмешивающихся жидкостей она равна сумме поверхностных натяжений каждой из них минус межфазное натяжение на границе раздела и определяется уравнением Дюпре

Wa = оА + ов -- оА-в,

где оА, ови оа-в -- поверхностные натяжения фаз А, В и на границе между фазами А и В.

Межфазное натяжение на границе раздела шлак--металл при сварке играет важную роль. Действительно, оно определяет воздействие шлака на формирование наружной поверхности сварных швов при сварке под флюсом, а также влияет на разделение перемешанных в ванне шлака и металла.

О том, насколько важен выбор определенных физических свойств флюса для каждого конкретного случая, можно судить из следующих примеров.

Для благоприятного удаления неметаллических включений из сварочной ванны и газов температура затвердевания шлака должна быть значительно ниже температуры плавления металла. С другой стороны, при понижении температуры плавления шлака он будет больше растекаться по нагретым кромкам и слабо защищать зону плавления.

Отделимость шлаковой корки с поверхности сварного шва или валика улучшается при увеличении разности коэффициентов термического расширения металла и шлака и возрастании межфазного натяжения на границе металл--шлак. Что же касается обеспечения надежного покрытия поверхности сварного шва (валика), то флюс-шлак должен обладать низкими значениями поверхностного и межфазного натяжений на границе названной гетерогенной системы.

К химическим свойствам флюсов относят их способность раскислять и легировать металл сварного шва, связывать окислы в жидком металле в легкоплавкие соединения, способствовать рафинированию наплавляемого металла: обессеривать и обесфосфоривать.

В зависимости от химического состава и свойств флюсы-шлаки классифицируют по следующим признакам:

-- по основности или кислотности -- кислые с высоким содержанием Si02 или ТiO2 и основные, содержащие CaO, MgO, FeO, К2О, МпО и др. При этом амфотерные окислы А1203 и Сr203 в основных шлаках ведут себя как кислые, а в кислых -- как основные;

-- по содержанию марганца -- низкомарганцовистые, содер

жащие менее 10% МпО, среднемарганцовистые (15--30% МпО) и высокомарганцовистые, содержащие более 30% МпО;

-- по содержанию кремнезема -- бескремнистые (содержащие в качестве примеси до 5% Si02), низкокремнистые (5-- 35% Si02) и высококремнистые, содержащие более 35% Si02;

-- по химической активности по отношению к наплавляемому металлу -- высокоактивные, активные, малоактивные и пассивные.

Химическое воздействие расплавленного шлака на металл в значительной степени определяется соотношением в его составе основных, кислых и амфотерных окислов. Критерием основности (В) или кислотности (К) шлака по молекулярной теории служит отношение компонентов, входящих в состав данного шлака.

Шлаки считаются кислыми при В<1, основными -- при В>1 и нейтральными -- при В --1. Классификация флюсов-шлаков по степени основности или кислотности формальна. Для сварки и наплавки применяют флюсы, имеющие основность В = 0,6-1,3. При меньшей или большей основности металлургические и сварочно-технологические свойства флюсов ухудшаются. Повышение содержания кислых окислов, особенно Si02, приводит к возрастанию в металле шва окисных включений на основе кварцевого стекла в результате интенсивного протекания крем-невосстановительного процесса. Кроме этого понижается стабильность дугового разряда и ухудшается формирование шва. Шлаки становятся слишком вязкими.

Увеличение основности флюсов приводит к резкому ухудшению их сварочно-технологических свойств. Это явление начинает наблюдаться при В >1,1.

Рассчитанные коэффициенты основности дают только весьма приближенную оценку основных свойств шлака. Кислотный или основной характер шлака будет проявляться при наличии в нем свободных соответственно кислых или основных окислов, а при оценке возможности получения в шлаке тех или иных свободных окислов следует учитывать возможность образования в шкале различных комплексных соединений, например, Fe0.Si02, Mn0.Si02, Ca0.Si02, Mg0.Ti02 или (Fe0)2.Si02, когда одна молекула Si02 может связать не только одну, но и две молекулы основного окисла. В связи с этим шлак, состоящий из 50% Si02 и 50% FeO, по существу будет не нейтральным (B=1), а кислым.

Кислые шлаки, содержащие в незначительных количествах свободные ионы кислорода, обладают меньшей окислительной способностью, поскольку передача кислорода металлу в этом случае осуществляется путем разрушения сложных комплексных анионов на границе гетерогенной системы.

По строению эти шлаки более просты, чем основные. Они чрезвычайно трудно кристаллизуются, что препятствует изучению их минералогической структуры. Быстрое охлаждение часто приводит к затвердеванию шлака в виде стекла, представляющего собой переохлажденную жидкость. При повышении температуры вязкость таких флюсов падает постепенно, т. е. они относятся к категории длинных шлаков. При сварке под длинными флюсами-шлаками корка на поверхности шва получается толстой, а относительная масса переплавленного шлака несколько увеличивается. В отличие от кислых основные флюсы имеют кристаллическое строение и по характеру изменения вязкости от температуры относятся к категории коротких. При повышении температуры вязкость этих флюсов быстро снижается, а шлаковая корка получается тонкой.

Затвердевание флюса-шлака происходит в узком интервале температур, поэтому минералогический состав основных флюсов исследован более полно. Кристаллооптические исследования О. А. Есина и П. В. Гельда показали, что в основных шлаках присутствуют кристаллы минералов, а химический состав

некоторых из них отвечает как простым окислам, так и химическим соединениям с двумя и более компонентами. В жидких: шлаках все окислы и химические соединения диссоциированы на ионы, поэтому молекулы как таковые в них не существуют.

Список используемой литературы:

1. Конищев Б.П., Курланов С.А, Потапов Н.Н. и др.; Под. общ. ред. Потапова Н.Н.

Сварочные материалы для дуговой сварки: Справочное пособие в 2-х т. Т.1. Защитные газы и сварочные флюсы».Том1.М.Машиностроение. 1989г.

2. ttp://infosvar.ru

3.http://metallicheckiy-portal.ru