Что такое сварочный шлак и как отличить от металла

Что такое сварочный шлак и как отличить от металла

Из всех видов сварки первое место по распространенности занимает дуговая электросварка. Для ее выполнения не требуется сложное оборудование и дорогостоящие материалы. Отличительной чертой технологии считают побочный продукт ― шлак сварочный, который образуется при плавлении металла. В зависимости от количества и места расположения он может быть полезным или вредным отходом.

Что такое шлаковые включения

Сварочный шлак — это побочный стеклообразный материал, образующийся из расплавленного покрытия электрода или сварочного флюса. Наличие шлаковых включений считается весьма серьезным дефектом, который способен понизить качество сварного соединения и всей конструкции.

Все возникающие в процессе сварке на металлической поверхности шлаковые включения разделяют на два вида:

• макроскопические. Образуются при недостаточной зачистке свариваемых кромок или же при их отсутствии;
• микроскопические. Как правило возникают вследствие возникающих при сваривании и кристаллизации металла химических реакций.

Негативное воздействие на механические характеристики металлического изделия оказывают обе разновидности включений.

Как отличить от металла при сварке?

За процессом образования шлака необходимо постоянно наблюдать в процессе выполнения сварочных работ. Это нужно, чтобы не пропустить момент подтекания шлака и забивания им сварочного шва. Чтобы контролировать процесс, нужно знать, как различить между собой раскаленный при сварке металл и шлак. Характерные отличия заключаются в следующем:

• нагретый металл светлее, чем шлак, который обладает более насыщенным и темным оттенком;
• шлак обладает низкой текучестью, тогда как расплавленный металл более текучий и подвижный;
• плотность металла гораздо выше, чем плотность сварочного шлака;
• расплавленный металл застывает намного раньше, чем расплавленный шлак;
• металл имеет больший вес, если сравнивать его со шлаком.

Отличия существующие между расплавленными металлом и побочным продуктом сварочных работ основываются на плотности и текучести металлов. Металл и шлак имеют разную скорость нагрева. Когда начинается сварочный процесс, металл нагревается, плавится и при этом приобретает ярко-красный цвет. После того как процесс сварки завершается, шов постепенно остывает и приобретает темный оттенок, при этом шлак поднимается на поверхность шва. Сначала шлак имеет темный цвет, но когда он остывает, то становится светлее, чем металл.

Если зачистить шов, постучав по нему молотком и обработав напильником, можно легко отличить ярко выраженный блеск металла и темные матовые вкрапления шлака.

В процессе сварки растворяется обмазка электродов или флюс. Выгорает часть железа, серы и фосфора из свариваемого материала. Электрическая проводимость шлака меньше, чем у металла, поэтому он хуже прогревается, гасит дугу. Повышенное напряжение и неправильно выбранные параметры работы, электроды способствуют выгоранию металла, окислению железа и других элементов стали.

Причина того, почему много шлака, кроется в его структуре. Все вещества, образующиеся в результате плавления металла от электрической дуги, легче стали, не имеют между собой прочных связей и всплывают на поверхность.

Состав отхода:

Источник информации:

Н.Н. Потапов. Окисление металлов при сварке плавления. Сварочные материалы для дуговой сварки. Под. редакцией Потапова Н.Н. -Москва, «Машиностроение», 1989 г.

Состав по 2-му источнику информации.

Стальные огарки, прочие отходы в процессе сварки

Определить конкретную разновидность шлака, несложно зная состав электродов: их покрытия, а также флюса, если он используется. С другой стороны, это еще один тип отходов при дуговой сварке. Он определяется ФККО, как остатки и огарки стальных сварочных электродов.

Данный вид изделий – основной расходный материал сварочного процесса. Несмотря на относительно малый размер отходов: от электрода остается часть стержня, фиксируемая в вилке держателя; суммарная масса огарков достаточно велика. На некоторых производствах она исчисляется сотнями килограмм металлолома. Такие отходы выбрасываются крайне редко. Более того, под остатки и огарки стальных сварочных электродов – утилизация также крайне невыгодна. Более перспективно использовать тх как материал для переработки.

Остатки сварочных электродов

Действительно, большинство огарков электродов, уже не имеют покрытия и представляют собой обычную металлическую проволоку определенного диаметра. В этом случае плотность остатков и огарков стальных сварочных электродов эквивалентна аналогичному параметру металла. Таким образом, подобные отходы могут быть отправлены на переплавку для производства новых расходных материалов.

Конечно, важной характеристикой остается состав остатков сварочных электродов. Поэтому требуется сортировка огарков по их разновидности, чтобы в процессе переплавки получить сталь, уже легированную требуемым химическим составом и не требующую дальнейшей очистки.

Наружные дефекты сварочных швов

К наружным дефектам сварных швов (рис.1) относят нарушение размеров и формы шва, подрезы и другие отклонения, которые могут быть обнаружены при внешнем осмотре сварного соединения.

Нарушение формы и размеров сварного шва чаще всего вызваны колебаниями напряжения в электрической сети, небрежностью в работе или низкой квалификацией сварщика, проявляющейся в неправильном выборе режимов, неточном направлении электрода и методике его перемещения. Дефекты проявляются в неодинаковой ширине сварочного шва по его длине, в неравномерности катета угловых швов, чрезмерной выпуклости и резких переходах от основного металла к наплавленному. Отклонения от размеров и формы сварного соединения, проявляющиеся в угловых швах, связаны с неправильной подготовкой кромок, неравномерной скоростью сварки, а также с несвоевременным контрольным обмером шва. При автоматической и полуавтоматической сварке эти дефекты чаще всего связаны с колебаниями напряжения, проскальзыванием проволоки в подающих роликах, нарушениями режимов сварки.

Непровар — местное отсутствие сплавления между свариваемыми элементами, между основным и наплавленным металлом или отдельными слоями шва при многослойной сварке. Причинами непровара являются некачественная подготовка свариваемых кромок (окалина, ржавчина, малый зазор, излишнее притупление и т.д.), большая скорость сварки, смещение электрода с оси стыка, недостаточная сила тока. В результате непровара снижается сечение шва и возникает местная концентрация напряжений, что в конечном итоге снижает прочность сварного соединения. При вибрационных нагрузках даже мелкие непровары могут снижать прочность соединения до 40%. Большие непровары корня шва могут снизить прочность до 70%. Поэтому если непровар превышает допустимую величину, участок шва подлежит удалению с последующей переваркой.

Подрез — дефект, наиболее часто встречающийся при сварке. Он выражен в виде углубления по линии сплавления сварного шва с основным металлом. В результате подреза происходит местное уменьшение толщины основного металла, что приводит к снижению прочности. Особенно опасен подрез в случаях, когда он расположен перпендикулярно действующим рабочим напряжениям. Подрез возникает обычно при повышенном напряжении дуги с завышенной скоростью сварки, когда одна из кромок проплавляется глубже, жидкий металл стекает на горизонтальную плоскость и его не хватает для заполнения канавки. При сварке угловых швов подрезы возникают в основном из-за смещения электрода в сторону вертикальной стенки, что вызывает значительный разогрев, плавление и стекание металла на горизонтальную полку. В стыковых швах подрезы образуются при сварке на больших токах и при неправильном положении присадочного материала. К подрезу могут привести увеличенные углы разделки кромок. Этот дефект обнаруживается визуально и при отклонениях выше установленной нормы полежит переварке с предварительной зачисткой. Подрезы небольшой протяженности, ослабляющие сечение шва не более чем на 5% в конструкциях, работающих под действием статических нагрузок можно считать допустимыми. В конструкциях, работающих на выносливость, подрезы недопустимы.

Наплыв — проявляется в виде натекания металла шва на поверхность основного металла без сплавления с ним. Наплывы резко изменяют очертания швов и тем самым снижают выносливость констукции. Причиной этого дефекта может стать пониженное напряжение дуги, наличие окалины на свариваемых кромках, медленная сварка, когда появляются излишки расплавленного присадочного металла. Чаще всего наплывы возникают при сварке горизонтальных швов на вертикальной плоскости. При сварке кольцевых поворотных стыков наплывы могут возникать при неправильном расположении электрода относительно оси шва. Наплывы большой протяженности недопустимы.

Прожог — сквозное проплавление обычно возникает из-за большого тока при малой скорости сварки. Проявляется он в виде сквозного отверстия в сварочном шве, которое возникает в результате утечки сварочной ванны. При многослойной сварке прожог возникает в процессе выполнения первого прохода шва. Причинами прожога могут стать — завышенный зазор между свариваемыми кромками, недостаточная толщина подкладки или неплотное ее прилегание к основному металлу, что создает предпосылку для утечки сварочной ванны. Прожог может образоваться при внезапной остановке подачи защитного газа. При сварке поворотных кольцевых стыков прожоги вызываются неправильным расположением электрода относительно зенита. Дефект обнаруживается визуально и переваривается после предварительной зачистки. Ожоги вызываются попаданием жидкого металла на участки, которые находятся вне сварного шва.

Незаваренный кратер — дефект сварного шва, который образуется в виде углублений в местах резкого отрыва дуги в конце сварки. В углублениях кратера могут появляться усадочные рыхлости, часто переходящие в трещины. Кратеры обычно появляются в результате неправильных действий сварщика. При автоматической сварке кратер может появляться в местах выводных планок, где обрывается сварочный шов. Кратеры часто являются причиной начала развития трещин и поэтому недопустимы. Их зачищают и заваривают.

Поверхностное окисление — окалина или пленка оксидов на поверхности сварного соединения. Поверхностное окисление зависит от плохой защиты сварочной ванны, качества подготовки свариваемых кромок, неправильной регулировки подачи защитного газа, его составом, большим вылетом электрода.

Свищ — воронкообразное углубление в сварочном шве, развивающееся из раковины или большой поры. Причиной развития свища чаще всего является некачественная подготовка поверхности и присадочной проволоки под сварку. Дефект обнаруживается визуально и подлежит переварке.

Рис. 1 Наружные дефекты сварных швов, выявляемые внешним осмотром: А — подрез; Б — наплыв; В — прожог; Г — незаваренный кратер; Д —свищ.	Рис. 2. Трещины в сварном шве и околошовной зоне: А — продольная горячая трещина; Б — холодная трещина в околошовной зоне.

Сварочный шлак как предпосылка возникновения шлаковых включений

Главный побочный эффект от дуговой сварки – это сварочный шлак. Он представляет собой побочный материал неметаллического происхождения, который состоит либо из расплавленного электронного покрытия плавящегося электрода (при ручной дуговой сварке, в том числе при сварке инвертором) либо из расплавленного сварочного флюса (автоматическая сварка под флюсом).

Этот материал является побочным, потому что после непосредственного соединения он подлежит удалению. В случае, когда по каким-то причинам он начинает контактировать с затвердевающей деталью и становится уже частью полученного шва – это является серьезным дефектом. Такой результат называется шлаковыми включениями. Они визуально видны на поверхности изделия. Удалить шлаковые включения, когда они уже полностью находятся в затвердевшей детали можно только путем сверления, чтобы потом сварить его заново.

Главная причина возникновения шлаковых включений – это ситуация, когда небольшой объем металла слишком быстро застывает, в результате чего весь шлак не успевает «выйти» за пределы области сварочной ванны. При наличии этого дефекта эксплуатация соединения по назначению будет невозможна.

Шлаковые включения могут быть макроскопические и микроскопические. Первые появляются в случае плохой зачистки кромок либо вообще её отсутствия. Они представляют собой сферический материал, с удлиненными хвостами. Избежать их появление можно путем тщательного очищения кромок соединяемых деталей. Микроскопические включения могут возникнуть в процессе возникновения химических реакций в процессе сварки, когда металл кристаллизуется.

Полное устранение такого производственного брака невозможно, при незначительных шлаковых включениях соединение может быть признано качественным. Существуют определенные условия и признаки, при которых устанавливается допустимое значение наличия такого вида брака на изделии. Такие допустимости устанавливаются в зависимости от количества, расположения и размера дефектного шва; от процентного соотношения площади всего брака к площади наплавленного металла на изделии; от удельного веса наплавленного металла.

Причины, по которым дефект необходимо удалять после работы

1. При удалении шлака изделие визуальным выглядит лучше.
2. Когда производится много слоёв.
3. Часто изделие необходимо покрывать сверху, например, краской.
4. Чтобы проверить насколько качественно выполнен шов.

Основные причины появления шлаковых включений.

1. Быстрое застывание металла небольших объемов, в результате чего шлак не успевает выйти за границы сварочной ванны.
2. Применение электродов и флюса большого удельного веса и/или из тугоплавких материалов.
3. Малые показатели раскисления металла. Раскисление подразумевает процесс исключения из уже мягкого металла молекул кислорода. Кислород для него является вредной составляющей, которая ухудшает качество.
4. Высокие показатели силы поверхностного натяжения шлака. При этом, он не всплывает на поверхность.
5. Плохо зачищены кромки деталей или валики шва.
6. Низкое качество электрода, а точнее его покрытия, плавление которого осуществляется неравномерно, его частицы попадают в сварочную ванну.
7. Не соблюдение правил и техники и режимов соединения деталей (выбор неподходящей скорости, угла наклона электрода), изменение длины дуги без причины.
8. Непрофессионализм сварщика. Если вам нужно качественное изделие, лучше привлечь к этому нелегкому делу специалиста в этой области. Если вы хотите сделать все сами, то прежде чем браться за ответственную сложную работу, нужно наработать практику с несложными соединениями.

Так выглядит сварочный шлак после удаления со шва

Профессиональные сварщики умеют сразу же отличить шлак от металла при сварке и «выгонять» его в процессе работы, однако, у каждого свои советы, как это сделать. Некоторые утверждают, что лучше использовать новые электроды, в которых покрытие более темное, а металл красного оттенка (это не касается рутиловых электродов), другие говорят, что металл более жидкий, а шлак вязкий. На его вязкость влияет температура.

Чтобы шлак не закрывал сварочную ванну, необходимо регулировать положение электрода. Положение должно быть таким, чтобы направление газа от испарения покрытия электрода выдувало данный дефект на поверхность шва. Сварщику ни в коем случае нельзя оставлять его в сварочной ванне. Сварочный шлак должен оперативно поддаться процессу кристаллизации и без особых усилий удаляться.

Попадание шлака в готовое соединение бывает неизбежно, такой дефект если не невозможно устранить, то зачастую очень сложно. Именно поэтому существуют допустимые нормы наличия «лишних» включений в уже сваренном изделии. Например, в межгосударственном стандарте касательно строительных стальных конструкций (введен в действие в 2001 году). В приложении к этому документу предусмотрены требования к качеству сварных соединений, допустимые дефекты. Требования в части шлаковых включений указаны в таблице ниже.

Таким образом, чтобы обеспечить правильное появление шлака на поверхности сварочного шва, необходимо знать, как его отличить от металла. В случае, если заметно, что шлак остается в сварочной ванне и не выходит наверх, нужно изменить угол наклона электрода. Перед процессом соединения необходимо позаботиться о надлежащем состоянии кромок, а также о правильном выборе режимов и параметров. Электроды нужно выбирать высокого качества, тогда и сварной шов будет качественный. Если соблюсти все условия, тогда шлак будет не вязкий, низкого удельного веса, с малым поверхностным натяжением. Только в этом случае, шлаковые соединения будут взаимодействовать с деталью, увеличивая его показатели раскисления, удаляя кислород. И только тогда сварочный шлак будет легко выходить на поверхность шва. Здесь не обойтись без профессионализма сварщика, выполняющего работу. Он должен уметь отличить шлак от металла при сварке, знать, почему вообще он появляется. Только опытный специалист сумеет сделать качественное и прочное соединение.

Шлак — это отработанный материал. Удаление шлака необходимо по четырем причинам:

• возможность проверить качество сварного шва;
• эстетичность или внешний вид;
• если проводится второй проход сварки поверх первой;
• для того, чтобы очистить поверхность для покрытия краской или маслом.

Удаление шлака обычно выполняется с помощью ручного или электроинструмента. Шлак можно отколоть молотом с острым наконечником на одном конце. Электрические инструменты — углошлифовальная машина УШМ (болгарка с дисками или проволочной щеткой).