При электрошлаковой сварке применяют флюсы, близкие по своему составу к флюсам, используемым при дуговой сварке соответствующих сталей.
Наиболее важными реакциями между шлаком и жидким металлом при электрошлаковой сварке углеродистых и легированных сталей являются реакции марганца, кремния, хрома и углерода. При сварке высоколегированных сталей протекают также реакции с титаном, алюминием и другими элементами, присутствующими в свариваемой стали и присадочном металле.
Металлургические реакции, протекающие при электрошлаковом процессе, имеют свои особенности. Основными из них являются: более низкие температуры металла, чем при дуговой сварке под флюсом; более длительное время взаимодействия металла и шлака; значительно меньшая активность шлака.
Как было рассмотрено выше, при сварке под флюсом в результате взаимодействия жидкого металла с жидким марганцевым высококремнистым флюсом марганец и кремний переходят из флюса (шлака) в шов.
Вследствие равномерного перемещения дуги вдоль свариваемых кромок плавятся и вступают во взаимодействие все новые и новые порции металла и флюса, в результате чего при неизменном режиме сварки состав металла шва по длине оказывается одинаковым.
При электрошлаковой сварке непрерывно расплавляемый металл (основной и электродный) взаимодействует с жидким шлаком весьма незначительно пополняемым свежими порциями флюса.
В начале процесса, когда жидкий металл взаимодействует с жидким шлаком первоначального состава (так же, как и при сварке под флюсом), марганец и кремний переходят из флюса в шов. По мере протекания кремнемарганцевосстановительных реакций (11) и (12) в шлаковой ванне уменьшается концентрация окислов кремния и марганца и накопляется закись железа FeO.
В процессе обогащения шлаковой ванны закисью железа участвует также кислород воздуха. Подтверждением этого служит то обстоятельство, что при обдувании шлаковой ванны аргоном содержание закиси железа в шлаке уменьшается.
Вследствие накопления закиси железа в шлаке возрастает его окислительная способность, а реакции восстановления марганца и кремния из флюса постепенно затормаживаются, затем (по мере перемещения зоны сварки вверх по стыку) совсем прекращаются и даже происходит окисление кремния и марганца. В результате этого химический состав металла шва по его длине оказывается неодинаковым что отрицательно сказывается на качестве сварных соединений.
Постоянство химического состава металла шва по его длине и требуемое содержание в нем марганца при электрошлаковой сварке углеродистых и низколегированных конструкционных сталей обеспечивается применением марганцовистой электродной проволоки в сочетании с высококремнистым марганцевым флюсом.
В этом случае происходит некоторое восстановление и переход в шов кремния из флюса за счет реакции с марганцем (2Мпмет + Si2шл = 2MnOшл + Siмет). Металл шва получается хорошо раскисленным и достаточно однородным по химическому составу на всей длине свариваемого шва.
Углерод, хром, титан и другие элементы при электрошлаковой сварке окисляются в основном за счет окислов, содержащихся в шлаке, по реакциям:
Смет + РеОшл = СОатм + Feмет, (16)
Сгмет + FeOmJI = СгОшл + Feмет, (17)
Tiмет + 2FеОшл = ТiО2шл + 2Feмет, (18)
При сварке обычных углеродистых конструкционных сталей низкоуглеродистыми проволоками происходит окисление углерода на 0,01—0,03%, которое усиливается с повышением концентрации углерода в проволоке, а также с накоплением в шлаке закиси железа. Однако во всех случаях окисление углерода при электрошлаковом процессе ниже, чем при дуговом, вследствие более низких температур процесса.
Интенсивность окисления хрома значительно повышается с понижением температуры. Поэтому при электрошлаковой сварке высокохромистых сталей хром выгорает больше, чем при дуговой сварке под флюсом.
При использовании для электрошлаковой сварки флюсов с низким содержанием окислов марганца и кремния выгорание хрома и титана незначительно.
В случае применения марганцевых флюсов, содержащих фосфор, внесенный марганцевой рудой, наблюдается переход фосфора в металлическую ванну в начале электрошлакового процесса. В условиях нормального процесса без значительного обновления шлака фосфор практически не переходит в металлическую ванну.
Концентрация серы в металле шва, сваренного электрошлаковым способом, зависит исключительно от содержания ее в электродном и основном металле. Однако использование флюсов на основе СаО и CaF2 позволяет при электрошлаковой сварке снизить содержание серы в металле шва, особенно при частых досыпках новых порций флюса и удалении соответствующего количества шлака из ванны в процессе сварки.
Уменьшения количества серы в металле шва можно добиться также использованием шлака системы CaF2—СаО в сочетании с раскислением его углеродом (например, применением неплавящегося графитового электрода или засыпкой на поверхность шлака угля при использовании металлического электрода).
Изменение режима электрошлаковой сварки значительно меньше влияет на выгорание элементов и переход их в шов по сравнению с влиянием режима дуговой сварки под флюсом.
Рис. 29. Диссоциация углекислого газа в зависимости от температуры.
Некоторое уменьшение окисления марганца наблюдается при повышении тока, понижении напряжения и уменьшении глубины шлаковой ванны.