СОХРАНЕНИЕ ЦИНКОВОГО ПОКРЫТИЯ НА СТАЛИ ПРИ ДУГОВОЙ СВАРКЕ В СРЕДЕ АРГОНА
Павлюк С.К., Лупачёв А.В.
(Белорусско-Российский университет, г. Могилев, РБ)
The distinction in mechanisms of damage and destruction of a zinc covering on steel is revealed at fusion welding by an open arch and arc soldering in argon: oxidation and evaporation of zinc in the heated up zone near to a seam - at fusion welding and primary evaporation of zinc - at the arc soldering.
Расширяется использование сталей с защитными антикоррозионными и декоративными покрытиями, в том числе и цинковыми, увеличивающими жизненный цикл металлических конструкций.
Цинковые покрытия являются активными. Они обеспечивают электрохимическую защиту металла на протяжении длительного, измеряемого десятилетиями, срока службы. Во влажной атмосферной или жидкой среде цинковое покрытие не отслаивается, а постепенно утоняется, при этом и дальше будет разрушаться цинковое покрытие, предотвращая процесс коррозионного разрушения стали.
В данной работе исследованы возможности сохранения целостности цинкового покрытия на низкоуглеродистых сталях и выявлены пути дальнейшего совершенствования технологии дуговой сварки.
При сварке плавлением и высокотемпературной пайке (сварко-пайке) возможно частичное или полное разрушение цинкового слоя, граничащего со швом. В некоторых случаях снятие цинкового покрытия с поверхностей участков свариваемого металла является составляющей технологии сварки оцинкованных сталей.
Участки покрытия с частично или полностью разрушенным цинковым слоем обладают пониженной коррозионной стойкостью, причем степень этого понижения существенно зависит от ширины участка повреждения покрытия в результате высокотемпературного нагрева при сварке или пайке. Поэтому при проектировании технологии сварки оцинкованных сталей ставится задача предотвращения разрушения прилежащего к шву цинкового покрытия, а в случае невозможности его сохранения — обеспечение минимального утонения покрытия и сужение участка повреждения до ширины, при которой проявляется действие электрохимической защиты. Это не всегда удается, поэтому участки повреждения цинка после сварки покрывают составами, содержащими алюминиевый или цинковый порошки. Радикальным вариантом решения проблемы является цинкование конструкции после завершения сварки и послесварочной обработки. Цинкование крупногабаритных конструкций после сварки не всегда возможно.
В промышленности применяется способ сварко-пайки оцинкованных сталей, позволяющий при использовании проволоки из медных сплавов в защитной атмосфере инертного газа (аргона) минимально повредить покрытие.
Повреждения покрытия характеризуются шириной поврежденных участков и оставшейся после высокотемпературного нагрева толщиной слоя цинка. Эти параметры зависят от термического цикла сварки, определяющего характер процесса, ширину поврежденных участков, а также остаточную толщину покрытия, которая зависит от времени пребывания покрытия при температурах испарения и окисления.
Сварные конструкции различного назначения обычно изготовляют из оцинкованных стальных листов толщиной 0,6-2 мм. Сварные соединения выполняют за один проход.
Расчетами и экспериментально получены распределения температур, ширины зон и времени пребывания при температурах начала окисления, плавления и испарения цинка.
Исследованы процессы разрушения и испарения цинка в зависимости от температуры сварочного нагрева оцинкованного листа. Определены максимальные температуры нагрева металла в направлении, перпендикулярном оси шва. Распределение температур получено для погонной энергии q/Vδ = 9,6·107 Дж/м2 для дуговой сварки и q/Vδ = 5,76·107 Дж/м2 для дуговой пайки. В обоих случаях приняты стандартные режимы сварки и пайки за один проход оцинкованного металла толщиной 2 мм при толщине цинкового покрытия 0,1 мм.
Общая ширина зоны возможного повреждения цинкового покрытия для сварки в защитном газе составляет 28 мм. В этой зоне можно выделить 3 участка, отличающихся по механизму повреждения. Так, на участке 1, примыкающем к сварному шву и нагретом до температур кипения цинка (1500-911 оС) наблюдается интенсивное разрушение покрытия вследствие кипения и испарения цинка.
В связи с высоким сродством цинка к кислороду воздух и углекислый газ для цинка являются окислительной средой. Пары цинка из-за высокого сродства к кислороду окисляются при взаимодействии с кислородом воздуха, образуя дисперсные оксиды, являющиеся вредными веществами, которые переносятся нагретым воздухом и загрязняют зону дыхания сварщика.
Предотвратить окисление цинка можно использованием инертной газовой защиты не только расплавленного металла, но и участков нагретых свыше 200 оС. При этом парциальное давление кислорода в защитной атмосфере должно быть меньше упругости диссоциации оксида цинка, а значит необходимо использовать для защиты аргон или гелий высокой чистоты. Образующийся слой дисперсных оксидов не препятствует испарению и окислению цинка. Процессы испарения и окисления приводят к полному разрушению цинкового покрытия на этом участке.
На участке 2 металл нагрет до температур 911-419 оС, превышающих температуру плавления цинка. Здесь возможен процесс окисления цинка при сварке открытой дугой. Интенсивность испарения цинка постепенно снижается по мере удаления от оси шва рассматриваемой точки металла в сторону точек, нагретых до температуры плавления.
При сварке покрытыми электродами или в углекислом газе на участке 3, нагретом до температур 419-200 оС, образуются слои оксида цинка невысокой плотности, поэтому кислород из окислительной среды проникает к поверхности цинка. Остаточная толщина защитного слоя цинка зависит от времени пребывания металла при температурах окисления. Ширина участков, на которых происходит повреждение цинкового покрытия, зависит линейно от величины погонной энергии.
Длительность пребывания металла при температурах выше кипения, плавления и окисления определяет степень повреждения цинкового покрытия. Это время увеличивается практически по линейной зависимости с ростом удельной погонной энергии сварки или сварко-пайки.
На средине участка 1 кипения цинка время пребывания металла для сварки составляет 1,6 с, а при пайке всего 0,48 с. Тем не менее, при сварке и пайке цинковое покрытие толщиной 0,05 мм испаряется полностью.
На участке 2 расплавления покрытия средняя толщина испарившегося слоя при сварке равна 0,185 мм, а при пайке 0,108 мм. Если покрытие тонкое, (менее 0,02 мм), то на участках испарения и окисления при сварке и пайке на исследованных режимах покрытие повреждается полностью.
На участке 3, нагретом до температур 419-200 оС, покрытие окисляется частично, а при защите зоны сварки инертным газом сохраняется полностью. Даже при относительном сохранении покрытия в соединениях, выполненных дуговой сваркой, металл шва совершенно не защищен от коррозии.
Границей паяного шва является температура ликвидуса сплава, используемого в качестве припоя. Эта температура достигает 1020 оС. Цинковое покрытие при пайке нагревается на узком участке шириной 6 мм. Это существенное преимущество дуговой пайки перед сваркой, где ширина этого участка на исследуемом режиме составляет 12 мм.
При естественном испарении цинка, когда отсутствует принудительное движение пара, процесс испарения цинка идет медленно. Однако испарение цинка существенно ускоряется при обтекании расплавленного цинкового покрытия потоком защитного газа, т.е. при сварко-пайке имеет место искусственное повышение скорости испарения. Снижение парциального давления над расплавленным металлом вследствие сдувания защитным газом интенсифицирует процесс разрушения покрытия из-за более быстрого испарения.
Экспериментально установлено, что сварку и сварко-пайку оцинкованных сталей целесообразно выполнять при рационально организованной защите зоны нагрева инертным газом, расход которого должен быть небольшим (4-5 л/мин) и обеспечивать ламинарный режим истечения газа при использовании горелки с цилиндрическим соплом диаметром 18-20 мм. Сварку и сварко-пайку можно выполнять в камере с защитной атмосферой из аргона высокой чистоты.
Протяженность всех рассмотренных участков практически линейно зависит от величины тепловложения, необходимого для образования единицы площади шва, т.е. от погонной энергии.
Для получения качественного соединения необходимо использовать минимальную погонную энергию при сварке и сварко-пайке. При этом снижается устойчивость горения дуги на малой силе сварочного тока, а также возникают трудности при ручном манипулировании и перемещении сварочной горелки на высоких скоростях сварки. Последние две трудности преодолеваются путем механизации, автоматизации или роботизации процесса.
При сварко-пайке на малых токах (Iд = 30-40 A, Uд = 18 В, Vсв = 0,1 м/с.) и погонной энергии q/Vδ = 2,55·107 Дж/м2 цинковое покрытие может быть частично сохранено, поскольку толщина испарившегося слоя меньше первоначальной толщины цинкового покрытия.
При дуговой сварке и сварко-пайке оцинкованных сталей в среде аргона реализованы возможности сохранения целостности цинкового покрытия, сужения ширины поврежденных участков, позволяющие существенно увеличить коррозионную стойкость соединений.
Это достигнуто ограничением температурного воздействия на цинковое покрытие за счет ряда мероприятий: сокращения времени пребывания при высоких температурах, использования электродов малого диаметра (до 1 мм) из медного сплава и соответствующим ограничением тока; использования тиристорных источников питания, позволяющих обеспечить устойчивое горение дуги на токах, начиная с 30-40 А и регулирования тепловложения в сварное соединение; модулированием тока высокой частоты и пропусканием импульсов в те периоды времени, когда анодом является изделие; применением в качестве защитного газа аргона высокой чистоты и совершенствованием струйной газовой защиты с таким расчетом, чтобы защитить не только шов, но и зону основного металла, нагретого до температуры выше 200 оС, и обеспечить малые скорости истечения защитного газа из горелки при расходе 4-6 л/мин.
Нагрев покрытия из цинка при сварке приводит к образованию паров цинка, которые воспламеняются и сгорают зеленовато-белым пламенем, образуя вредные для здоровья человека оксиды цинка в виде аэрозолей. Ограничение температурного воздействия на цинковое покрытие при сварке позволяет снизить выделение вредных паров цинка в окружающую среду и улучшить условия работы сварщиков.
Дальнейшее совершенствование процесса дуговой сварки оцинкованных сталей предполагает: разработку и использование для сварки проволок из бронзы, содержащей олово, кремний и другие элементы с возможно более низкой температурой ликвидуса (900-910 оС) с тем, чтобы снизить протяженность зоны нагрева до температуры кипения цинка или полностью устранить эту зону; разработку состава цинкового покрытия для сварки оцинкованных сталей с тем, чтобы при нагреве выше 200 оС образовывались не рыхлые слои оксидов, а более плотные оксиды, например, содержащие кремний и олово, что одновременно позволит улучшить условия труда за счет снижения испарения цинка; рационализировать конструкции соединений с тем, чтобы уменьшить объемы наплавленного металла или припоя в швах и соответственно снизить теплоэнергетическое воздействие на зону цинкового покрытия.