FCAW: порошковая проволока (флюсовая и металлопрошковая)


Порошковая проволока способна обеспечить широкий спектр металлургических и механических качеств, невозможных для традиционной ручной дуговой сварки. Разнообразие видов ремонтной сварки во многих случаях обусловило интерес к порошковой проволоке. В этой статье мы рассмотрим несколько доступных на рынке продуктов.

Хотя традиционная ручная дуговая сварка штучными электродами (MMA) в ближайшее время не собирается терять свою актуальность, непрерывное совершенствование порошковой сварочной проволоки сделало ее привлекательным выбором для все более расширяющегося круга задач. Порошковая проволока отличается более высокой производительностью наплавки по сравнению с другими процессами, не допуская при этом чрезмерного резистивного нагревания даже в случае проволоки небольшого диаметра.

Порошковая проволока представляет собой непрерывно подаваемую полую металлическую оболочку с порошковым флюсом и/или легирующими элементами внутри. В него могут входить флюсообразующие элементы, восстановители, денитрирующие средства, а также другие элементы для повышения прочности, коррозионной стойкости и стабильности дуги. Чаще всего наполнитель содержит алюминий, кальций, углерод, хром, железо, марганец и некоторые другие элементы и вещества. Хотя наибольшее распространение получила флюсовая порошковая проволока, также используется ее металлопорошковая разновидность, которая позволяет скорректировать состав наплавленного металла при сварке легированной стали. Порошок в сердечнике такой проволоки обычно содержит не флюсовые смеси, а металлы и легирующие элементы, и поэтому образует лишь небольшие островки шлака на поверхности шва. Флюсовая проволока, наоборот, формирует во время сварки сплошное шлаковое покрытие, которое поддерживает и придает форму сварному шву.

Сварка порошковой проволокой
Флюс, который содержится внутри такой трубчатой проволоки, обеспечивает газовую защиту за счет формирования слоя шлака. Такой процесс обозначают FCAW (flux-cored arc welding). Иногда может требоваться дополнительная газовая защита из внешнего источника, тогда процесс сварки называется газозащитным (FCAW-GS, gas shielded). Если проволока обеспечивает газовую защиту самостоятельно, она называется самозащитной (FCAW-SS, self-shielded). Химический состав проволоки и флюса подбираются с учетом каждой конкретной задачи. Проволока с внешней газовой защитой обычно отличается от самозащитной. Обе эти категории включают несколько классов, которые покрывают широкий спектр задач.


Самозащитная порошковая проволока
Во время сварки самозащитной порошковой проволокой тепло от дуги приводит к распаду и испарению флюса внутри проволоки, который защищает расплавленный металл от атмосферного воздействия (Рисунок 1). Так как ингредиенты флюса включают восстановители и денитрирующие вещества, самозащитная проволока идеально подходит для многих задач в монтажных условиях, особенно при сильном ветре. Газозащитная проволока, наоборот, требует использования экранов или других физических преград для защиты зоны сварки от при ветра скоростью больше 8 км/ч. Кроме того, сварка самозащитной проволокой более мобильна, потому что для нее нужен только механизм подачи проволоки и источник питания на жесткой вольт-амперной характеристике. Для нее не нужны газовые баллоны, редукторы и шланги. Также при этом используется более простая горелка, которая обеспечивает сварщику хороший обзор.


 

FCAW:: порошковая проволока (флюсовая и металлопрошковая)
Рисунок 1

 

При необходимости в высокопроизводительной наплавке часто применяется большой вылет проволоки (до 10 см). Это дает проволоке время нагреться, что позволяет использовать меньшую силу сварочного тока. В результате получается валик с небольшой глубиной проплавления, который хорошо подходит для заполнения зазоров из-за некачественной подгонки тяжелых, сложных или трубчатых изделий.

На рынке доступны разнообразные марки проволоки для высокоскоростной сварки, однопроходной сварки, работ общего назначения, изготовления металлоконструкций и сварки высокопрочных труб. Диаметр проволоки может составлять от 0,8 до 4 мм в зависимости от ее класса и типа применения. Некоторые марки проволоки пригодны для сварки в любых пространственных положениях, другие —  только в нижнем и горизонтальном. Типовое применение охватывает задачи от автоматической сварки листового металла до изготовления тяжелых мостовых металлоконструкций.

Производители предлагают большой выбор проволоки для специализированных задач. Одни предназначены для работ по материалам толщиной всего 0,9 мм, а другие имеют производительность наплавки 18 кг/ч. В каждый класс проволоки может входить несколько марок, каждая из которых отвечает общим требованиям данной категории. При этом каждая из них может иметь собственный набор отличительных свойств. Большинство производителей сварочных материалов имеет большой архив данных о тестировании и эксплуатации, которым можно воспользоваться при выборе проволоки для той или иной задачи. Некоторые производители даже могут составить по спецзаказу индивидуальную смесь порошка.

Например, в него можно добавить элементы для очистки и десульфузирования наплавленного металла, которые невозможно включить в состав сплошной проволоки. Такая универсальность благодаря изменяемому составу и конструкции порошковой проволоки позволяет добиться высокой устойчивости к образованию трещин в трудносвариваемых сталях, например, с высоким содержанием серы и углерода.

Газозащитная порошковая проволока
Газозащитная порошковая проволока (Рисунок 2) аналогична самозащитной за исключением того, что помимо флюса она полагается на газовую защиту из внешнего источника. Как правило, в качестве защитного газа используются CO2 или смесь аргона и CO2, например, 75% аргон/25% CO2 или 90% аргон/10% CO2, а также другие смеси. Выбор газов и их пропорций зависит от состава проволоки и требуемых свойств дуги.


FCAW:: порошковая проволока (флюсовая и металлопрошковая)
Рисунок 2


 

При использовании газовой защиты вылет для большинства диаметров проволоки обычно небольшой (1,3—3,2 см). Применение проволоки большого диаметра (больше 2,4 мм) и защитного газа 100% CO2 может вызвать увеличение глубины проплавления. Поэтому в некоторых случаях может понадобиться уменьшить сечение или объем шва. Газозащитная порошковая проволока чаще всего используется для автоматической, полуавтоматической и роботизированной сварки углеродистой и низколегированной стали. Сфера применения включает мостостроение, горношахтное оборудование, морские буровые платформы, судостроение, изготовление металлоконструкций и продукцию общего назначения.

Газозащитная порошковая проволока часто имеет разновидности для сварки углеродистой и низколегированной стали диаметром от 0,9 до 3,2 мм. Некоторые больше подходят для сварки на спуск, а другие — для сварки в сложных пространственных положениях, и каждая марка проволоки имеет собственные механические, металлургические и сварочные характеристики. Также недавно появилась порошковая проволока с низким выделением дыма, в частности, для использования с защитным газом.


Эволюция порошковой проволоки

Самозащитная порошковая проволока
Появление и эволюция проволоки, способной самостоятельно обеспечивать газовую защиту и другие преимущества, неразрывно связаны с развитием металлургии. Примерно в середине 1960-х годов в такую проволоку стали добавлять ограниченный объем алюминия, который вступает в реакцию с азотом. Было обнаружено, что добавление других легирующих элементов, например, углерода и никеля, улучшает характеристики жидкотекучести и ударной вязкости.

Эти достижения привели к появлению целых семейств самозащитной проволоки. Например, компания Lincoln Electric® предлагает более 25 таких марок. Некоторые из них эксплуатируются в очень сложных условиях, например, для изготовления морских платформ, где предъявляются жесткие требования по ударной вязкости и смещению раскрытия вершины трещины (CTOD). В качестве других нововведений можно назвать новые сплавы для сварки высокопрочных сталей, проволоку для гальванизированной стали и специализированные марки для сварки магистральных трубопроводов.


 

FCAW: порошковая проволока (флюсовая и металлопрошковая)
 


Газозащитная порошковая проволока

Хотя такая проволока плохо подходит для применения под открытым небом из-за того, что ветер может отнести облако защитного газа в сторону, в других условиях она обладает многими преимуществами. Например, проволока T-1 с содержанием рутила (диоксида титана, полезного ингредиента шлака) удобна в эксплуатации и обеспечивает равномерный струйный перенос металла с низким дымообразованием. Она хорошо подходит для сварки в сложных пространственных положениях и имеет производительность наплавки около 3 кг/час.

Разумеется, не стоит забывать о присущей порошковой проволоке универсальности благодаря большому выбору. Например, для сварки на спуск и в сложных пространственных положениях доступна проволока из углеродистой стали или различных сплавов с содержанием рутила. Еще один пример — это семейство запатентованных марок проволоки, которые обеспечивают пониженное содержание диффузионного водорода в наплавленном металле благодаря поглощающим водород веществам. Такие материалы были разработаны, чтобы сократить вероятность водородного растрескивания во время сварки высокопрочных сталей.

Большое внимание всегда уделяется сварочно-технологическим характеристикам. Еще одним нововведением стала новая проволока T-5. Хотя такие материалы фторидного типа обеспечивают высокую стойкость к образованию трещин и ударную вязкость, они традиционно считаются более сложными в эксплуатации, особенно в сложных пространственных положениях. Теперь ведутся обширные исследовательские работы, направленные на то, чтобы сделать T-5 более комфортной в работе и пригодной для сварки в более разнообразных пространственных положениях.

Металлопорошковая проволока
Металлопорошковая проволока обычно состоит из оболочки из углеродистой стали с наполнителем из специально подобранной смеси железных и других металлических порошков и сплавов. Также в него можно легко добавлять стабилизаторы и вещества, улучшающие поведение дуги, что дает сварщику большую свободу действий. Металлопорошковая проволока относится к газозащитному типу и считается альтернативой легированной проволоке сплошного сечения. Такая проволока отличается универсальностью благодаря безграничным возможностям сочетания сплавов.

Это позволяет составлять такие сочетания сплавов, которые были бы невозможны или непрактичны в случае проволоки сплошного сечения, в том числе для сварки высокопрочных сталей. Также доступны версии, отвечающие требованиям по содержанию диффузионного водорода военных и других спецификаций. Металлопорошковая проволока поставляется в варианте с 12-процентным содержанием хрома для производства каталитических преобразователей и других компонентов автомобильных выхлопных систем из нержавеющей стали 409. Еще один вариант имеет особый химический состав, который снижает силу поверхностного натяжения сварочной ванны для улучшения смачивания и образования более широких швов, что бывает полезно, например, при стыковке деталей.

Если задача требует использования сварочных материалов особого назначения, металлопорошковая проволока является более дешевой альтернативой проволоке сплошного сечения. Так как их производственный процесс подразумевает смешивание металлических порошков вместо отдельной плавки стали, это намного упрощает производство мелких партий проволоки. В результате небольшие заказы металлопорошковой проволоки можно изготавливать за меньшее время и по меньшей себестоимости по сравнению с проволокой сплошного сечения.

Повышение стабильности дуги и управление формой волны сварочного тока
Применение металлопорошковой проволоки с технологией управления формой волны дает несколько преимуществ. Сварка металлопорошковой проволокой в импульсном режиме отличается меньшим выделением дыма и разбрызгиванием по сравнению с обычным струйным переносом. Порошковая проволока особенно хорошо подходит для применения в импульсном режиме, особенно с такими аппаратами, как Power Wave® 455M от Линкольн Электрик. Такие инверторные источники известны своим удобством в работе и высокими сварочными характеристиками. Они имеют специализированные программы для импульсной сварки металлопорошковой проволоки и многие другие режимы ПО. Кроме того, Power Wave® 455M можно программировать самостоятельно и создавать оптимальную форму дуги сварочного тока для любых условий.


 

FCAW: порошковая проволока (флюсовая и металлопрошковая) 


 

Типичное применение включает производство автомобильных глушителей из нержавеющей стали 409. Такие изделия можно сваривать проволокой с оболочкой из углеродистой стали и порошковой смесью с оптимальными пропорциями хрома и других элементов для той или иной марки нержавеющей стали. Управление формой волны сварочного тока обеспечивает меньшее тепловложение и разбрызгивание по сравнению с крупнокапельным переносом металла, который обычно используется для таких задач. Это увеличивает срок службы горелки и позволяет реже проводить обслуживание из-за меньшего износа фиксаторов, особенно при больших объемах производства. Импульсная сварка с индивидуальной формой волны отличается высоким качеством сварки тонких материалов (обычно 1,6 мм), высокой скоростью и возможностью работы при неидеальной подгонке, которая часто встречается в таких условиях.



Развитие продолжается

В будущем совершенствование порошковой проволоки продолжится и будет направлено на решение различных проблем со сваркой, повышение качества и производительности. Большое внимание уделяется сварочно-технологическим характеристикам — производители постоянно стремятся сделать сварочные материалы более удобными в применении и свести к минимуму выделение дыма.

Разумеется, для любых процессов важны физические свойства — жидкотекучесть и прочностные характеристики. Также продолжают появляться специальные марки для сварки высокопрочных сталей, например, в области оффшорных сооружений, и универсальные с улучшенными сварочно-технологическими характеристиками.