Особенности проволоки FCAW-S


Особенности использования самозащитной порошковой проволоки
Том Майерс —  старший специалист по внедрению, компания Lincoln Electric

 

Сварка самозащитной порошковой проволокой (FCAW-S) — это один из самых распространенных процессов сварки, который используется для многих задач по всему миру. Так как для него не нужен защитный газ из внешнего источника, этот метод часто используют для сварки в монтажных условиях или под открытым небом, где ветер мог бы легко нарушить газовую защиту. Кроме того, так как при этом используется проволока, а не штучные электроды, этот процесс имеет значительно большую производительность по сравнению с ручной дуговой сваркой (РДС). Самозащитная порошковая проволока должна иметь особую конструкцию и химический состав, не характерные для материалов других типов (РДС, TIG, MIG/MAG, FCAW-G и SAW). Поэтому процесс FCAW-S требует особых условий сварки. В этой статье мы расскажем, чем уникален сварочный процесс FCAW-S и что нужно учесть для его применения.

Один из главных принципов электродуговой сварки гласит, что дугу и расплавленный металл в сварочной ванне следует защищать от контакта с воздухом. В противном случае сварочная ванна поглотит слишком много азота и кислорода и образует ломкий наплавленный металл с низкими механическими характеристиками. Поэтому во всех процессах сварки для защиты от атмосферного воздействия используется шлак или защитный газ. Процесс FCAW-S полагается на шлак. Но он отличается от других процессов тем, что дуга фактически контактирует с воздухом и в результате возникающей реакции с элементами проволоки происходит очищение сварочной ванны и образование защитного шлака.

Для этого в FCAW-S в основном используется система очистки с алюминиево-магниевым восстановлением и денитрированием (вместо силикомарганцевой системы, которая чаще всего используется в других процессах дуговой сварки). Наплавленный металл обычно содержит около 1% алюминия — намного больше, чем при других процессах. Но нужно отметить, что в этом случае алюминий находится не в чистом состоянии, а в виде полезных соединений. Атомы алюминия и марганца после попадания в сварочную ванну привлекают атомы кислорода и азота и в результате образуют оксид алюминия, нитрид алюминия и оксид марганца. Эти соединения, особенно оксид марганца, имеют высокую температуру плавления. Это означает, что, когда сварочная ванна начинает застывать, они затвердевают быстрее, чем остальные элементы в ванне. Эти легкие быстрозастывающие соединения всплывают на поверхность и защищают сварочную ванну от дальнейшего атмосферного воздействия. Таким образом система шлакообразования превращает азот и кислород — потенциальные загрязняющие вещества — в соединения, которые защищают наплавление. 

Так как самозащитная порошковая проволока имеет особую металлургию и другие факторы, она имеет определенные особенности. Их мы и обсудим в этой статье.

 

НЕ ИСПОЛЬЗУЙТЕ ЗАЩИТНЫЙ ГАЗ
Не используйте самозащитную проволоку FCAW-S с защитным газом из внешнего источника (Рисунок 1). Конечно, так можно улучшить стабильность дуги. Но тогда дуга окажется изолирована от воздуха. Алюминий и марганец из наполнителя проволоки не смогут вступить в реакцию с азотом и кислородом и не образуют соединения. Тогда в наплавленном металле окажется намного больше чистого алюминия, из-за чего он получится очень ломким и склонным к растрескиванию. Поэтому применение защитного газа вместе с самозащитной порошковой проволокой может привести к потенциальным проблемам с растрескиванием.

Особенности проволоки FCAW-S 

Рисунок 1:

 

ПОЛЯРНОСТЬ
Полярность, при которой дуга оказывается наиболее стабильной, зависит от конкретных компонентов наполнителя той или иной марки самозащитной проволоки. Большинство марок самозащитной проволоки имеет наилучшие характеристики на прямой полярности (DC-) (Рисунок 2).  Это отличает ее от газозащитной, сплошной (т. е. MIG) и металлопорошковой проволоки, которая лучше работает на обратной полярности (DC+). Впрочем, некоторые самозащитные проволоки тоже используются на обратной полярности DC+. Сюда входит проволока, которая по классификации Американского общества сварки (AWS) имеет индекс эксплуатационной пригодности "3", "4" или "6" (например:: класс AWS E70T-4, где "4" — индекс эксплуатационной пригодности).

Особенности проволоки FCAW-S 

Рисунок 2

 

НАПРЯЖЕНИЕ ДУГИ
Процесс FCAW-S обычно более чувствителен к колебаниям напряжения дуги по сравнению с другими процессами. Напряжение (В) влияет на длину дуги (Рисунок 3). При снижении напряжения длина дуги уменьшается и в результате конус дуги становится меньше и уже. Слишком выпуклый или усиленный шов может указывать на недостаточное напряжение дуги. При увеличении напряжения длина дуги возрастает, а конус становится шире и больше. При избыточном напряжении значительно возрастает площадь поверхности конуса и уязвимость дуги к воздействию воздуха. В наполнителе проволоки присутствует лишь ограниченный объем алюминия и марганца, которые смогли бы вступить в реакцию с воздухом и защитить наплавленный металл. Если площадь контакта с воздухом будет слишком большой, в наплавленный металл попадет лишний азот. В результате это приведет к падению ударной вязкости и появлению внутренней и/или внешней пористости. Таким образом, при сварке самозащитной порошковой проволокой слишком высокое сварочное напряжение может привести  к падению ударной вязкости и/или пористости в наплавленном металле.

Особенности проволоки FCAW-S 

Рисунок 3

В случае многопроходной сварки наплавленный металл поглотит еще больше азота, потому что последствия слишком высокого напряжения имеют тенденцию суммироваться. Первая пара проходов может выглядеть вполне надежной. Затем в одном из последних проходов может появиться заметная пористость. Скорее всего, это вызвано именно продолжающимся скапливанием азота в наплавленном металле.

Поэтому при сварке самозащитной проволокой настоятельно рекомендуется соблюдать установленные производителем настройки сварочного напряжения. Напряжение дуги регулируется с помощью вольтметра на источнике питания или механизме подачи проволоки. Также для этого можно использовать ручной вольтметр, подключенный между разъемом горелки и рабочим изделием. Обратите внимание, что плохо выполненные кабельные соединения, кабели недостаточного сечения и неисправные кабельные зажимы могут привести к значительной разнице между заданным на источнике напряжением и фактическим значением.

 

ВОЛЬТ-АМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
Так как для сварки самозащитной порошковой проволокой крайне важна стабильность длины дуги, пользуйтесь только режимом сварки на жесткой вольт-амперной характеристике (CV) (Рисунок 4). Источники питания на жесткой ВАХ и механизмы подачи сварочной проволоки с постоянной скоростью подачи гарантируют очень стабильную длину дуги. Стабильная дуга хорошо защищена. При падающей ВАХ (CC) длина дуги сильно варьируется. Это делает ее очень нестабильной, особенно в режимах с напряжением 22 вольта и меньше (которое характерно для большинства самозащитных проволок). Кроме того, это может привести к чрезмерному увеличению длины дуги. В свою очередь, это сделает дугу более уязвимой к атмосферному воздействию, возможному падению ударной вязкости и появлению пористости (как было описано выше в разделе «Напряжение дуги»). Поэтому не используйте самозащитную проволоку со сварочными аппаратами для режимов РДС и TIG только с поддержкой режима падающей ВАХ. Вместо этого нужны аппараты на жесткой ВАХ или универсальные модели с жесткой и падающей ВАХ.

Особенности проволоки FCAW-S 

Рисунок 4

 

ВЫЛЕТ НАКОНЕЧНИКА И ПРОВОЛОКИ
Вылет наконечника и проволоки (CTWD) обозначает расстояние от края контактного наконечника до рабочей поверхности или изделия (Рисунок 5). Чтобы дуга оставалась стабильной, очень важно поддерживать вылет постоянным. Его колебания не должны превышать ±3,2 мм при вылете ≤25 мм или ±16,4 мм при вылете >25 мм. Чтобы узнать точные требования по вылету наконечника и проволоки, обратитесь к таблице со сварочной процедурой для данной марки проволоки.

Особенности проволоки FCAW-S 

Рисунок 5

Заметим, что для порошковой проволоки обычно рекомендуется довольно большой вылет наконечника и проволоки (около 25 мм) по сравнению с проволокой для MIG-сварки короткими замыканиями (около 10 мм). С момента прикосновения проволоки к внутренней поверхности контактного наконечника она находится под напряжением. Характерный для порошковой проволоки большой вылет наконечника и проволоки дает чуть больше времени на резистивное нагревание проволоки, что позволяет элементам в наполнителе проволоки полностью прореагировать или активироваться и обеспечить должную защиту дуги. Если вылет будет слишком большим (при той же скорости подаче проволоки), это приведет к нестабильности дуги, увеличению разбрызгивания и уменьшению глубины проплавления. Если он будет недостаточным, элементы наполнителя проволоки активируются неполностью, что может вызвать газовые поры на поверхности или внутри металла. Кроме того, если при той же скорости подачи проволоки сместить горелку слишком близко к сварочной ванне (т. е. уменьшить вылет наконечника и проволоки), мгновенно увеличится напряжение тока, чтобы стабилизировать дугу. Это, в свою очередь, приведет к попаданию в сварочную ванну дополнительного азота.

 

УВЕЛИЧЕННЫЙ ВЫЛЕТ НАКОНЕЧНИКА И ПРОВОЛОКИ
Некоторые марки самозащитной порошковой проволоки позволяют увеличить производительность за счет повышенного вылета наконечника и проволоки (38-95 мм) и более высокой скорости подачи проволоки. Обратите внимание, что такое увеличение вылета невозможно для газозащитной проволоки, потому что тогда газовая защита скорее всего окажется недостаточной и металл будет загрязнен. Большой вылет и соответствующее увеличение резистивного нагревания приведут к увеличению скорости расплавления проволоки. Следовательно, при значительном увеличении скорости подачи проволоки это позволит повысить производительность наплавки. Чтобы помочь сварщику удерживать вылет наконечника и проволоки на уровне 6,4 мм, используются «изолированные направляющие» для горелок (Рисунок 6). Они позволяют сохранить тот же вылет электрода и проволоки, но при этом видимая часть проволоки, которая выступает из изолированной направляющей и называется «видимым вылетом», намного короче и поэтому ее проще поддерживать на одинаковом уровне. Эти изолированные направляющие навинчиваются на горелку. 

Чтобы добиться при этом правильного вылета наконечника и проволоки, сначала снимите направляющую с горелки. Выдвиньте проволоку из контактного наконечника, чтобы получить нужный вылет для данного типа и диаметра проволоки. Затем верните на место направляющую. Запомните значение видимого вылета, которое Вам нужно будет поддерживать.

Особенности проволоки FCAW-S 

Рисунок 6

 

ОГРАНИЧЕНИЯ ОДНОПРОХОДНОЙ СВАРКИ
Некоторые марки самозащитной проволоки пригодны только для однопроходной сварки. В их случае во время сварки предполагается смешивание наплавленного металла с основным. При многопроходной сварке в поверхностных слоях окажется только наплавленный металл. В результате химический состав шва может оказаться неудовлетворительным и вызвать образование трещин. Самозащитная порошковая проволока, пригодная только для однопроходной сварки, по классификации AWS имеет индекс эксплуатационной пригодности "3", "10", "13", "14" или "GS" (где "G" означает general/общего назначения, а "S" — single pass / только один проход).

 

ОГРАНИЧЕНИЯ ПО ТОЛЩИНЕ МАТЕРИАЛА
Некоторые марки проволоки FCAW-S имеют ограничения по максимальной толщине материала. Если толщина металла будет больше этого рекомендованного значения, то из-за теплопроводимости или эффекта закалки металл будет остывать быстрее обычного. Это, в свою очередь, может привести к нежелательной микроструктуре наплавленного металла, склонной к растрескиванию. В Таблице 1 приведены примеры самозащитной порошковой проволоки с ограничениями по максимальной толщине рабочего материала. Обратите внимание, что такие ограничения по толщине материала распространяются на самозащитную проволоку с индексами эксплуатационной пригодности "3", "11" и "14", а также иногда "G" и "GS".

Особенности проволоки FCAW-S 

 

ХАРАКТЕРИСТИКИ УДАРНОЙ ВЯЗКОСТИ
Спецификации некоторых сварочных материалов для углеродистой стали не включают требования по ударной вязкости по Шарпи. Поэтому технические данные некоторых марок углеродистой стали не включают никакой информации об ударной вязкости и к ним не стоит предъявлять никаких требований по этому параметру. Для иллюстрации, в Таблице 2 приведена часть данных из Таблицы 1U, "A5.20 Требования к механическим характеристикам" из пособия AWS A5.20/A5.20M:2005 Specification for Carbon Steel Electrodes for Flux Cored Arc Welding

Особенности проволоки FCAW-S 

Несмотря на это, самозащитная порошковая проволока для низколегированной стали всегда имеет требования по ударной вязкости.

 

УСТАНОВКА ПРИХВАТОК
Для установки прихваток рекомендуется использовать ту же самозащитную проволоку, которая будет использоваться для непосредственной сварки. Если для установки прихваток использовать штучные электроды, к этим местам часто прочно пристает шлак от самозащитной проволоки. Более высокое количество алюминия в самозащитной проволоке вступает в реакцию с рутилом из покрытия электрода (например, оксидом титана) и образует под шлаком тонкую пленку, которую очень сложно удалить.  Для некоторых марок проволоки эта проблема стоит особенно остро.  

Несмотря на это, установка прихваток ручной дуговой сваркой часто оказывается самым практичным методом. В таком случае для установки прихваток перед сваркой самозащитной порошковой проволокой рекомендуются нижеперечисленные марки электродов. Не забудьте тщательно удалить после этого шлак с прихваток.   

Особые электроды с целлюлозным типом покрытия Такие электроды, как "Fleetweld® 35LS" (E6011), предназначены специально для установки прихваток с последующей сваркой проволокой Innershield® (LS = low silicon / низкое содержание кремния).
Также есть другие электроды с покрытием целлюлозного типа (E6010 или E6011) и электроды с низким содержанием диффузионного водорода в металле наплавления (E7016, E7018).
Избегайте электродов с покрытием рутилового типа (E6013, E7014 и др.)

 

СВАРКА ОДНОГО СОЕДИНЕНИЯ НЕСКОЛЬКИМИ ПРОЦЕССАМИ
Если наплавленный металл от самозащитной порошковой проволоки смешается с наплавленным металлом от других процессов сварки (например, РДС, TIG, MIG/MAG, FCAW-G или SAW), это может привести к падению его ударной вязкости. В частности, эта проблема может возникнуть, когда самозащитная проволока использовалась для корневого прохода(ов), а поверх него использовались материалы для других процессов. Повторимся, что алюминиево-магниевая система очистки шлакообразования и очистки сварочной ванны процесса FCAW-S отличается от кремниево-марганцевой системы других процессов сварки. Алюминий и магний в самозащитной проволоке имеют форму соединений. Однако при смешанном использовании нескольких процессов дуговой сварки эти соединения могут распасться и привести к повышенному содержанию чистого алюминия в получившемся наплавленном металле. Также в наплавленном металле может измениться содержание марганца. Такие изменения наплавленного металла могут привести к падению его ударной вязкости. Следовательно, в тех случаях, где важна высокая ударная вязкость, рекомендуется проводить тестирование образца наплавленного металла и каждого из используемых сварочных материалов.

 

НЕПРЕДНАМЕРЕННАЯ ИНДУКТИВНОСТЬ
Индуктивность — это естественный феномен, который возникает в каждом электрическом контуре, по которому проходит ток. Проще говоря, индуктивность — это сопротивление к изменениям электрического тока (будь то в сторону увеличения или снижения). Сварочная дуга — это динамическое явление, в котором постоянно меняются сила и напряжение тока. Поэтому индуктивность может быть полезна в том смысле, что она сглаживает эти колебания и тем самым помогает добиться более стабильной дуги.   

Однако индуктивность также может иметь и отрицательный эффект, особенно если она непреднамеренна. Это может произойти, если в сварочном контуре непреднамеренно образуются мощные внешние индукторы. Вызванная этим неконтролируемая индуктивность будет создавать помехи для сварочной дуги, что значительно ограничит номинальную мощность источника питания. Это воздействие еще более выражено при сварке самозащитной проволокой, где из-за этого падает стабильность дуги и/или дуга кажется «недостаточно горячей». 

Часто источниками непреднамеренной индуктивности становятся слишком длинные сварочные кабели, особенно если они сложены в мотки (Рисунок 7). На время сварки длинные кабели должны быть распрямлены. Также избегайте намотки кабелей непосредственно вокруг сварочного аппарата. Кроме того, если для текущей задачи не требуется полная длина кабеля, эту проблему можно решить с помощью быстроразъемных кабельных соединений.

Особенности проволоки FCAW-S 

Рисунок 7

Непреднамеренная индуктивность также может возникнуть в случае использования самозащитной порошковой проволоки со сварочными агрегатами на постоянном токе со сдвоенным бесступенчатым регулированием. При использовании таких агрегатов на жесткой ВАХ с дополнительным механизмом подачи проволоки тумблер «грубой регулировки» или «регулятор диапазона» нужно перевести в максимальное положение (Рисунок 8). Затем напряжение дуги регулируется «точным регулятором». Хотя тумблер грубой регулировки не виляет на силу сварочного тока, через него все же проходит некоторый ток и поэтому он образует собственную индуктивность. Чем выше эта собственная индуктивность, тем сильнее помехи дуги. Эта индуктивность ниже всего, когда регулятор находится в максимальном положении. Чтобы получить более жесткую дугу, переведите регулятор на одно положение ниже максимального. Заметьте, что эта проблема характерна только для сварочных агрегатов с генератором постоянного тока. Сварочные агрегаты с поддержкой технологий Chopper® и Reactor имеют другую электрику, которая не имеет таких проблем.

Особенности проволоки FCAW-S 

Рисунок 8

 

ДУГОВАЯ СТРОЖКА
При дуговой строжке самозащитной порошковой проволокой на поверхности обработанных кромок могут оставаться черные полосы или точки.  Эта проблема усугубляется, если коснуться поверхности угольным электродом. Такие точки часто принимают за пористость.  Этот черный налет не связан с пористостью или низким качеством материала. При желании его можно легко счистить щеткой или мелкой наждачной бумагой.