Файл: Котвицкий, А. Д. Сварка в среде защитных газов учебное пособие.pdf

вредное воздействие на металл шва. Поэтому область применения его в качестве защитного газа распространя­ ется только на. те металлы, которые либо не взаимодейст­ вуют с азотом (медь я ее сплавы, никель, золото, сере­ бро), или сплавы, для которых азот является легирующим элементом (некоторые нержавеющие и жаропрочные стали). Азот — один из наиболее распространенных в при­ роде (в воздухе его 78%) и один из более дешевых газов.

В 1963 г. В. И. Дятлов доказал возможность сварки ряда хромоникелевых сталей и сплавов в среде азота плавящимся электродом'. Азот применяется также как плазмообразующий газ при плазменной резке металлов.

Азот — активный газ. Он вступает в соединение с раз­ личными металлами и снижает их прочностные характе­ ристики. В атмосфере азот находится с другими газами (например, кислородом, аргоном) в виде механической смеси. В молекулярном состоянии при нормальной темпе­ ратуре азот инертен. С некоторыми металлами азот реа­ гирует, только находясь в атомарном состоянии. Насыще­ ние азотом расплавленного металла происходит вследст­ вие обменных реакций окиси азота с металлом, например:

[Me] + NO+^[M eO] + N;

N-)-[Me]—*[MeN].

Сварку меди и ее сплавов ведут неплавящимся элек­ тродом (угольным, вольфрамовым) дугой прямого дейст­ вия с подачей присадочной проволоки. Успешно приме­ няются угольные электроды, применяют также вольфра­ мовые торированные. Угольные или графитовые электро­ ды несколько науглероживают металл, и в результате «блуждания» дуги форма шва делается змеевидной. По­ этому для сварки в среде азота применяют специальную горелку с соленоидом, который уменьшает «блуждание» дуги.

Угольный электрод зажимается в горелке цанговым патроном, который размещается внутри соленоида. Сва­ рочный ток перед тем, как попасть к электроду, проходит по соленоиду, создавая направленное магнитное поле. Дуга в магнитном поле имеет строго определенное поло­ жение и теряет способность отклоняться от воздействия ферромагнитных масс (рис. 46).

Азот не должен быть загрязнен кислородом, наличие которого не допускается более 0,6%, Увеличение содер­

158

жания кислорода приводит к повышенной окисляемости меди и ее сплавов и значительному насыщению металла азотом.

При сварке меди в среде азота применяют флюс, кото­ рым покрывают тонким слоем основной металл или при­ садочный пруток.

ВНИИавтогенмаш разработал четыре марки флюса: А, Б, В, Г. В их состав вводятся в различных пропорциях следующие компоненты: древесный уголь, феррофосфор, ферросилиций, ферромарганец и алюминиевый порошок.

Рис. 46. Горелка для азотио-дуговон сварки:

При сварке мышьяковистой меди в среде азота уголь­ ным электродом применяют присадочную проволоку, со­ держащую 3% кремния и 1% марганца. При сварке меди в среде азота вольфрамовым электродом применяют при­ садочную медную проволоку с содержанием титана 0,1 % или проволоку с содержанием титана 0,2% и алюминия 0,1%. Тонколистовую медь вследствие жидкотекучести варят на асбестовой, графитовой или медной подкладке.

Режимы сварки меди приведены в табл. 49.

В табл. 50 даны сравнительные механические свойства сварных соединений меди, выполненных дуговой сваркой в среде аргона и азота.

Как видно из табл. 50, сварные соединения, выполнен­ ные азотно-дуговой сваркой, обладают такими же меха­ ническими характеристиками, как и соединения, выпол­ ненные сваркой в аргоне. Однако процесс сварки более дешевый, так как аргон значительно дороже азота.

Азот инертен по отношению к меди, но по отношению к стали активен. Легирующие элементы в стали (марга­ нец, кремний, хром и др.) довольно активно соединяются

159

с азотом, образуя нитриды, и этим вносят в сталь азот, снижающий механические свойства металла шва. Хорошо соединяется с азотом и алюминий. Азот адсорбируется (поглощается) при расплавлении железа электрической дугой^ Концентрация азота может достичь в чистом желе­ зе 0,15—0,20% в зависимости от условий воздействия ду­ ги на металл. Причина такого воздействия электрической дуги — расщепление молекулярного азота. Только одно­ атомный азот образует соединение Fe4N, а углерод, мар­ ганец, никель, хром в различной степени влияют на уменьшение поглощения азота железом при температуре электрической дуги. Марганец и кремний энергично со­ единяются с азотом даже при более низких температурах.

Алюминий реагирует с газообразным азотом и дает очень прочные соединения при температурах от 400° С и

160

выше. Алюминий, добавленный к жидкой стали, соединя­ ется с растворенным в ней азотом, переводит его в твер­ дый раствор в виде азотистого алюминия и не дает ему выделиться.

Азот оказывает значительное влияние на свойства же­ лезохромистых сплавов, действуя подобно углероду. Эти сплавы энергично поглощают азот в расплавленном со­ стоянии, но так как он способствует измельчению зерна в литом состоянии, то при этом повышается вязкость ста­ ли, улучшается обрабатываемость такой стали (типа Х18Н9Т) на станках. Увеличение содержания азота до 0,04 — 0,06% в сварных швах, выполненных дуговой свар­ кой, способствует получению более мелкой структуры и повышает прочность сварного шва на стали Х18Н9Т, не снижая пластичности и коррозионной стойкости.

Измельчение зерна в хромоникелевых сплавах проис­ ходит в меньшей степени, чем в железохромистых спла­ вах.

В высоколегированной аустенитной хромоникелевой стали Х25Н12 при содержании в ней азота около 0,25% и концентрации углерода в несколько большем количест­ ве, чем 0,1%, азот выделяется в виде нитридной или карбонитридной пластинчатой фазы при медленном охлажде­ нии с 1200—900° С. При быстром охлаждении с 1200° С азот сохраняется в твердом растворе и структура стали остается аустенитной. Твердость такой стали после накле­ па и последующего нагрева выше твердости стали, содер­ жащей азот.

Вводить в сталь аустенитного класса азот и титан вместе через присадочную проволоку нельзя, так как обра­ зуется при этом нитрид титана, который не растворяется ни в феррите, ни в аустените и находится в стали в виде неметаллических включений. Нитрид титана представ­ ляет собой более прочное соединение, чем карбид титана. Титан и азот в стали не устраняют опасности межкристаллитной коррозии. Влияние азота на свойства нержа­ веющих сплавов в основном следующее:

азот соединяется с рядом элементов. В меньшей сте­ пени он адсорбируется железом и в большей степени хро­ мом, марганцем, кремнием и алюминием. Обязательным условием адсорбции азота металлом является наличие атомарного азота;

разные сплавы в соответствии с концентрацией леги­ рующих элементов в различной степени адсорбирует азот,

действие которого также находится в зависимости от кон­ центрации легирующих элементов в сплаве. В сплавах с содержанием хрома до 18%. а никеля 8% азот измельчает литую структуру и не ухудшает свойств сплава; в сплавах с содержанием хрома 25% и никеля 12%. содержащих азот в количестве 0,25%, при медленном охлаждении вы­ деляется пластинчатая нитридная или карбонитридная со­ ставляющая. Твердость такой стали после наклепа и по­ следующего нагрева повышается;

введение в сталь одновременно’ азота и титана умень­ шает стабилизирующее действие этих элементов. Сталь приобретает склонность к межкристаллитной коррозии; с ниобием азот образует нитрид значительно менее

прочный, чем нитрид титана; нитрид вольфрама получается при воздействии азота

(атомарного) на металлический вольфрам при высокой температуре (2500° К ).

В процессе сварки неплавящимся электродом проис­ ходит сильное кипение сварочной ванны и оплавление вольфрамового электрода. В шве появляется' пористость. Соединения вольфрама с азотом (WN2H W2N2— нитрид и дивольфрамид) характеризуются малой стойкостью. Образуясь при высокой температуре, эти соединения вско­ ре распадаются. Это вынуждает применять вместо вольф­ рамового электрода другой тугоплавкий электрод — угольный.

При использовании угольного электрода дуга перемен­ ного тока при питании от источника тока напряжением холостого хода 65—70 В горит крайне неустойчиво. По­ этому источник питания при азотно-дуговой сварке на пе­ ременном токе должен иметь напряжение холостого хо­ да не ниже 100 В при наложении высокочастотного тока от осциллятора.

При сварке в азоте на постоянном токе прямой поляр­ ности угольным электродом процесс протекает вполне удовлетворительно. Дуга горит устойчиво, если кислорода в азоте не более 0,6%. При более высоком содержании кислорода дуга горит неустойчиво, а режим ее горения не­ прерывно изменяется.

В связи с большим расходом угольного электрода схе­ ма обратной полярности для сварки в среде азота непри­ годна.

При сварке угольным электродом в среде азота сварной шов науглероживается. Концы угольных электро­

162

дов перед сваркой затачивают «под карандаш». В про­ цессе сварки конец электрода укорачивается, но форма его заметно не меняется. Оптимальный расход азота ус­ танавливается при постоянной силе тока 80 А. С увеличе­ нием расхода азота, содержащего 0,05% кислорода, до

4л/мин расход угольного электрода’ уменьшается.

Сувеличением расхода азота от 1 до 4 л/мин снижа­ ется пористость шва. При расходе 4 л/мин кислород в зо­ не сварки практически отсутствует, не происходит окис­

ления электрода с образованием углекислого газа, кото­ рый вызывает пористость в швах.

Дальнейшее увеличение расхода азота не изменяет предела прочности металла шва.

Увеличение концентрации азота заметно сказывается на механических свойствах металла сварных швов лишь в стали Х25Н20.

Пластичность металла шва при азотно-дуговой сварке стали Х18Н9Т уступает лишь пластичности соединения, выполненного атомно-водородной сваркой, и всего на 4% ниже пластичности соединения, выполненного аргоно­ дуговой.

Увеличение концентрации азота при многослойной на­ плавке, а также при однопроходной сварке стали почти не влияет на механические свойства наплавленного ме­ талла. По сравнению с основным металлом наплавленный металл обладает:

более низким коэффициентом относительно сужения, более высоким пределом текучести, одинаковыми преде­ лами прочности как при сварке в аргоне, так и при свар­ ке в азоте.

При сварке в азоте стали ХН78Т результаты аналогич­ ные.

В зависимости от состава газовой среды меняются ме­ ханические свойства при сварке и наплавке стали 25 и 20. По сравнению с основным металлом при сварке стали 25 и 20 наплавленный металл имеет: пониженный на 44% предел прочности при сварке в среде аргона и повышен­ ный на 12% при сварке в среде азота; повышенный на 26% предел текучести при сварке в среде аргона и на 77% при сварке в среде азота; сниженный коэффициент отно­ сительного сужения до 73% при сварке в аргоне и до 80% при сварке в азоте.

Для стали Х18Н9Т толщиной 1,5 мм рекомендуются следующие режимы азотно-дуговой сварки: первый про­