На начальном этапе процесса сваривания шлак с окислами, который образуется над сварочной ванной, играет ключевую роль в защите металла от слишком быстрого охлаждения. Это замедление охлождения металла позволяет после удаления шлака получить более ровные и однородные сварочные швы.
Все о сварочном шлаке
Во время сварки рабочая область соединения двух металлических компонентов оказывается под воздействием различных факторов окружающей среды, таких как кислород, смесь защитных газов и расплавленный шлак. Эти факторы взаимодействуют друг с другом при высоких температурах, достигаемых в процессе плавления металла. В некоторых ситуациях это взаимодействие может иметь положительные последствия для металла, однако, чаще всего, газы, кислород и шлаки оказывают негативное влияние, изменяя химический состав металла и его физико-механические характеристики. Поэтому все процессы такого взаимодействия при проведении сварочных работ должны быть учтены и целенаправленно контролироваться с целью направления их в нужное русло.
Что это такое и как появляется?
В процессе сварочных работ в зоне стыка двух металлических заготовок образуются побочные продукты, известные как шлак. Шлак, возникающий в ходе сварки, характеризуется черной рыхлой коркой, обладающей неоднородной структурой. Его образование является естественным процессом, так как шлак представляет собой побочный продукт, формирующийся на сварном шве. Основные компоненты шлака включают в себя оплавленные элементы флюса либо материалы, использованные для покрытия сварочных электродов, а также оксиды различных металлов. Этот побочный продукт появляется в процессе соединения металлических деталей и плавления электрода, заполняя плавильную ванну шва.
Образование шлака наблюдается при любом виде сварочных работ, и его ключевые функции следующие:
- содействует формированию прочного сварного соединения и обеспечивает последовательность процесса сварки;
- предотвращает окисление металла под воздействием кислорода;
- обеспечивает стабильность химического состава сплава в области сварного шва;
- создает необходимые условия для качественного соединения металлов;
- уменьшает вероятность появления дефектов на сварном шве в процессе работы.
В составе сварочного шлака нет металла в чистом виде; наоборот, он состоит из оксидов, образующихся в процессе плавления как самого металла, так и флюса. В обычной ситуации шлак будет включать в себя оксиды железа, марганца и титана, а также окислы кремния и кальция. Кроме того, шлак может содержать элементы, входящие в состав покрытия электрода, которые лишь незначительно изменяют общую картину.
Что такое и причины появления
Внутренние шлаковые включения могут образовываться в следующих случаях:
- при сварке используется заниженный ток;
- неправильно подобран диаметр электрода;
- сварной шов быстро остывает, что мешает шлаку всплыть на поверхность;
- недостаточная подготовка кромок деталей перед сваркой;
- в расплавленном шлаке высокое поверхностное натяжение, удерживающее его внутри сварочной ванны;
- неравномерное перемещение электрода вдоль шва.
Как отличить шлак от металла
Чтобы избежать загрязнения сварного соединения, важно уметь различать шлак и металл. Эти два материала можно идентифицировать по следующим ключевым признакам:
- цвет расплавленного металла значительно светлее по сравнению с шлаком;
- плотность сварочного шлака ниже по сравнению с жидким металлом;
- жидкий металл благодаря своей текучести проявляет большую подвижность;
- шлак имеет более длительное время застывания.
Появление шлака можно отслеживать в процессе плавления металла. В свете сварочной дуги четко видны границы и контуры стыка, а также варочной ванны: все темные области ― это шлак, светлые – расплавленный металл. Упрощает эту задачу использование углового сваривания, когда направление сварки идет назад.
Причины появления шлака при сварке
Если сварное соединение охлаждается слишком быстро, шлак остается включенным в металл, так как не успевает всплыть. Основные причины этого явления следующие:
- недостаточно высокое напряжение электрода;
- шлак затекает в сварочную ванну перед электродом;
- неправильно подобран диаметр электрода;
- металлическая заготовка покрыта коррозией или загрязнениями;
- неравномерное перемещение электрода в процессе сварки.
При выборе электродов следует внимательно изучить информацию на упаковке, где указаны рекомендуемые значения рабочего напряжения. Допускается незначительное превышение показателя, что приведет к возвышению температуры в сварочной ванне и к высвобождению шлака. Важно корректно установить соединяемые детали и приподнять заготовку с того конца, где завершается сварной шов. Наклонять электрод следует под углом 10-15 градусов в свою сторону, а не держать его под прямым углом.
Важно, чтобы поверхность металла в области сварки была тщательно очищена от остатков бытовых и промышленных загрязнений, таких как смазка и окалина. Наличие посторонних включений ухудшает электрический контакт с электродом, что в свою очередь негативно сказывается на процессе нагрева и плавления материала в ванне.
Для того чтобы замедлить охлаждение сварового соединения и обеспечить выход шлак необходимо предварительно прогреть большие заготовки и легированные стали до температуры 200-400 градусов Цельсия. Этот этап важен для снятия внутренних напряжений и качественной сварки высокоуглеродистой стали, в которую входят легирующие добавки.
Свойства сварочного шлака
Химические качества шлака во время сварочных работ определяются его кислотностью и основностью. Степень кислотности (n) представляет собой отношение сумм молекулярных процентов кислотных и основных оксидов в конкретном типе шлака. Кислотные оксиды сварочных шлаков включают SiO2, TiO2, P2O5, тогда как основные оксиды — это FeO, MnO, NiO, CaO, BaO, MgO, Na2O, Cu2O и K2O.
В шлаках также присутствуют амфотерные оксиды, которые проявляют себя как основные оксиды в реакции с сильными кислотами и как кислотные оксиды — с сильными основаниями (например, Al2O3, Fe2O3, Cr2O3, V2O5). Когда степень кислотности превышает 1, шлак классифицируется как кислый; если этот показатель ниже единицы, шлак считается основным.
Следует понимать, в какой форме присутствуют различные окислы в образующемся при сварке шлаке, так как они могут быть представлены как комплексные соединения, так и в свободном, диссоциированном состоянии.
Химическая реакция, происходящая с жидким шлаком, имеет вид: (МеО)основной + (МеО)кислый = (МеО)основной*(МеО)кислый.
Снижение температуры приводит к увеличению константы равновесия Кр, что, в свою очередь, способствует образованию комплексных соединений и снижению концентрации свободных оксидов в шлаке. Реакции комплексообразования протекают в шлаке при сварке одновременно между всеми оксидами, хотя наибольшая активность наблюдается при взаимодействии между сильными основными и кислотными оксидами.
Когда шлак начинает затвердевать, его компоненты переходят в состояние двойных или более сложных комплексных соединений и образуют взаимные растворы.
Основные параметры физических свойств шлаков включают в себя:
- термальные константы — температура плавления и размягчения, теплоемкость, скрытая теплота плавления, а также теплосодержание шлака;
- вязкость в жидком состоянии и ее зависимости от температуры;
- газопроницаемость;
- плотность в жидком состоянии;
- характеристики, определяющие отделяемость шлака от металла сварного соединения в твердом виде.
Определить точную температуру плавления шлаков затруднительно, как и выявить критические точки превращения, которые могут либо отсутствовать, либо быть слабо выраженными. У шлаков имеется интервал плавления, который определяется между температурами начала размягчения и полного плавления. Этот интервал у кислых шлаков превышает аналогичный параметр основных. Кислотные силикатные шлаки демонстрируют длинные интервал плавления.
Увеличение содержания SiO2 в шлаке вызывает рост его вязкости. Тем не менее вязкость силикатов в составе шлаков варьируется. Наиболее распространенные силикатные соединения, встречающиеся в шлаке, следующие: FeO*SiO2, MnO*SiO2, Fe2O3*SiO2, MgO*SiO2, CaO*SiO2 и Al2O3*SiO2 (выстраиваются по возрастанию вязкости). Долговечные и густые шлаки, которые медленно застывают, оказывают меньшую активность по отношению к металлу, поэтому их формирующие свойства значительно ниже.
Скорость газопроницаемости шлаков определяется их вязкостью. Низкая проницаемость может вызвать на поверхности металла высокое давление газов, что приводит к образованию пористых участков и шероховатостей на сварочном соединении.
Причины, по которым шлаковые включения образуются
Начинающие мастера часто задаются вопросом, почему на соединительных стыках при сварке образуется значительное количество шлака. Проблема появления шлаковых включений может быть обусловлена разнообразными факторами:
- металл практически мгновенно остывает, что не позволяет шлаку выплыть из сварочной ванны;
- низкое качество используемых электродов, приводящее к неравномерному плавлению и попаданию частиц электрода в сварочную ванну;
- при низких значениях раскисления металла образуется избыток шлака. Этот процесс подразумевает удаление молекул кислорода из уже разогретого металла, что негативно влияет на механические свойства и структуру;
- неаккуратная подготовка и недостаточная очистка свариваемых кромок от загрязнений, ржавчины и масел;
- высокие значения поверхностного натяжения шлака могут препятствовать его всплытию;
- использование флюса или электродов из тугоплавких металлов и с большим удельным весом;
- несоблюдение технологий и режимов сварки, включая неправильный угол наклона или неподходящую скорость перемещения электрода.
Чтобы осуществлять сварку с минимальным количеством шлака, желательно обращаться за помощью к опытным специалистам. В случае самостоятельного выполнения сварочных работ рекомендуется начинать с простых элементов, постепенно переходя к более сложным задачам.
Основные причины появления шлаковых включений
Шлаковые включения представляют собой неметаллические частицы, которые могут быть захвачены в сварном шве или на границе его разреза. Эти включения возникают в результате неправильно выполненной техники сварки или затруднений в доступе к соединению. Наличие острых выемок на стыках или между сварными швами может способствовать улавливанию шлака.
При корректном выполнении сварочных работ шлак поднимается на поверхность расплавленного металла. Если шлак не удаляется должным образом, это может привести к образованию шлаковых включений в самом сварном шве. Включения могут быть либо отдельными частицами, либо проявляться в виде длинных линий. Наиболее распространенной причиной шлаковых включений является недостаточная очистка шлака между сварочными проходами, что может привести к неэффективному удалению шлака при повторной сварке. Хорошие методы выполнения работ способствуют минимизации таких рисков.
Также критически важно правильно выбрать метод сварки и избегать использования слишком толстых электродов в замкнутых соединениях. Важно стараться сваривающему избегать подрезания.
Как минимизировать шлаковые включения при сваривании металлов
Многих начинающих сварщиков волнует вопрос относительно большого количества шлака, образующегося при сварке инвертором. Как правило, такие трудности возникают при сварке, когда элементы находятся в горизонтальном положении. В ситуациях, когда деталь расположена под уклоном, шлак стекает гораздо быстрее, чем расплавленный металл из сварочной ванны, что приводит к тому, что шлак остается внутри шва.
Шлаковые образования также могут появляться при чрезмерных зазорах или недостаточном токе, учитывая толщину металла. В то время как проблемы со шлаком возникают значительно реже в процессе создания вертикальных швов, когда шов остаётся сверху, а шлак стекает вниз.
Некоторые профессиональные сварщики рекомендуют устанавливать заготовку под уклоном и варить сверху вниз, в то время как другие предлагают использовать электроды без шлака с темным покрытием для сварки.
Чтобы исключить попадание шлаковых частиц в сварочную ванну, нужно тщательно контролировать направление движения электрода. Его положение должно быть таким, чтобы поток газа, создаваемый при испарении покрытия электрода, выдувал шлак на поверхность соединяемых стыков. Шлак не должен задерживаться в сварочной ванне; его необходимо быстро удалить, чтобы упростить процесс кристаллизации и облегчить удаление.
Как избавиться от шлака
Чтобы эффективно избавиться от шлака в процессе сварки, можно увеличить длину электродуги. Это действие предотвратит затекание шлака под сварочную ванну.
Изменение полярности тока при инверторной сварке, а именно переход с отрицательного на положительный электрод, также может помочь предотвратить накопление шлака в шве. Очень важно быстро и равномерно перемещать дугу, не задерживаясь на одном месте.
При достаточных размерах изделия возможно также попробовать вернуть шлак обратно, изменив угол наклона детали. Использование инверторной сварки на обратных токах также обеспечивает меньшее количество шлака. Такие аппараты идеально подходят для начинающих сварщиков, поскольку они минимизируют вероятность залипания электрода и существенно упрощают процесс выполнения сварочных работ.
