Шлак при сварке: виды и причины появления

Что это такое? Шлак при сварке – это побочный продукт процесса нагрева металла и его взаимодействия с электродом. Данное включение негативно влияет на качество шва и требует удаления.

На что обратить внимание? Полностью избежать появления шлака невозможно. Однако существуют способы, позволяющие сильно сократить его количество, нужно лишь соблюдать несложные правила. Если же так вышло, что включения присутствуют на изделии, то их легко удалить.

Суть сварочного шлака

Сварочный шлак представляет собой побочный продукт, он напоминает стекло и образуется из расплавленного покрытия электрода или сварочного флюса. Включения шлака являются дефектом, снижающим качество сварного шва и всей детали в целом.

Образующиеся во время проведения сварочных работ на металле шлаковые включения бывают нескольких видов:

• Макроскопические. Данный дефект появляется, если соединяемые кромки были плохо зачищены.
• Микроскопические. Такие включения образуются в результате химических реакций, протекающих во время сваривания и кристаллизации.

Как макроскопические, так и микроскопические включения ухудшают механические параметры изделия из металла.

Причины появления шлака при сварке

Если сварочное соединение слишком быстро охлаждается, шлак не успевает выходить наружу, включения застывают в металле. Происходит это по следующим причинам:

1. недостаточное напряжение;
2. шлак при сварке затекает с ванны перед электродом;
3. выбран неподходящий диаметр электрода;
4. металлическая заготовка с коррозией, на ней имеются загрязнения;
5. электрод перемещается неравномерно при проведении работ.

При покупке электродов следует внимательно изучить упаковку, на ней есть информация о рабочем напряжении. Допускается небольшое превышение данной характеристики. В этом случае кипящий металл в ванне начнет выбрасывать шлак. Поэтому важно правильно выбрать положение соединяемых деталей, приподнять заготовку со стороны завершения сварного шва. Держать электрод нужно не под прямым углом, а на 10-15 градусов наклонив в свою сторону.

Важно, чтобы металл в области сварки был блестящим. Для этого его очищают от бытовых и промышленных отходов, смазки, окалины. Из-за посторонних включений контакт электродуги со сталью будет недостаточным, ухудшится нагрев и расплавление материала в ванне.

Для замедления остывания сварочного соединения и обеспечения выхода шлака крупные заготовки, а также легированные стали следует нагреть до 200-400 градусов Цельсия. Данный шаг необходим для того, чтобы снять напряжение и соединить высокоуглеродистую сталь, в которой содержатся легирующие вещества.

Свойства сварочного шлака

Химические характеристики шлака при сварке зависят от степени кислотности, а также такой величины, как степень основности включений. Степень кислотности (n) – это отношение сумм молекулярных процентов кислотных и основных оксидов определенного шлака. Кислотные оксиды сварочных шлаков – SiO2, TiO2, P2O5. Основные оксиды – FeO, MnO, NiO, CaO, BaO, MgO, Na2O, Cu2O, K2O.

Кроме того, в шлаках бывают амфотерные оксиды. Эти вещества ведут себя с сильными кислотами как основные оксиды, с сильными основаниями – как кислотные оксиды (Al2O3, Fe2O3, Cr2O3, V2O5). Когда степень кислотности превышает 1, шлак после сварки будет являться кислым, когда данный параметр меньше единицы, шлак считается основным.

Необходимо понимать, в какой форме находятся в образуемом при сварке шлаке всевозможные оксиды. Они могут быть в виде комплексных соединений, а также в свободном или диссоциированном состоянии.

Химическая реакция для жидкого шлака выглядит следующим образом:  (МеО)основной + (МеО)кислый = (МеО)основной*(МеО)кислый.

Чем ниже температура, тем больше возрастает константа Кр равновесия, усиленно протекает процесс образования комплексных соединений, снижается концентрация свободных оксидов в шлаке. Процессы комплексообразования протекают в шлаке при сварке одновременно для всех оксидов. Однако активность таких реакций выше во время взаимодействия между сильными основными и кислотными оксидами.

К моменту, когда шлак начинает затвердевать, его компоненты будут иметь форму двойных, а также более сложных комплексных соединений и находиться во взаимных растворах.

Читайте также: «Термическая сварка»

Основные параметры физических свойств шлаков:

• тепловые константы – температура плавления и размягчения, теплоемкость, скрытая теплота плавления, а также теплосодержание шлака;
• вязкость в жидком состоянии, ее зависимость от температурного режима;
• газопроницаемость;
• плотность в жидком состоянии;
• характеристики, от которых зависит отделяемость шлака от металла сварного соединения в твердом состоянии.

Выявить с высокой точностью температуру плавления шлаков практически невозможно, так же как и определить критические точки превращения, которые могут отсутствовать или быть выражены нечетко. Шлаки обладают определенным интервалом плавления, он находится между температурами начала размягчения шлака и его перехода в жидкое состояние (полное плавление). Интервал плавления у кислых шлаков превышает данный параметр основных шлаков. Длинные шлаки представляют собой кислые, силикатные шлаки.

С увеличением содержания SiO2 в шлаке повышается его вязкость. Тем не менее вязкость силикатов, которые входят в состав шлаков, отличается. Чаще всего в шлаке при сварке можно обнаружить следующие силикаты: FeO*SiO2, MnO*SiO2, Fe2O3*SiO2, MgO*SiO2, CaO*SiO2, Al2O3* SiO2 (в списке они расположены по возрастанию их вязкости). Длинные и густые шлаки, которые медленно затвердевают, менее активны по отношению к металлу, их формирующие свойства хуже.

Читайте также: «Длина сварного шва»

То, насколько шлаки будут газопроницаемыми, определяется их вязкостью. Когда способность пропускать выделяющиеся из металла газы низкая, на поверхности металла образуется высокое давление газов, они не будут нормально улетучиваться. В результате сварное соединение получится пористым, на его поверхности образуются ямки, шероховатости.

Густые шлаки практически не пропускают газы, у маловязких подвижных шлаков газопроницаемость высокая. Жидкотекучие шлаки выделяют газы с высокой скоростью, это приводит к тому, что происходит захват шлаковых включений, в результате сварной шов получается очищенным.

Отличия шлака от металла

Многие мастера, не имеющие большого опыта в выполнении сварочных работ, не способны обнаружить отличия между шлаком и металлом. Из-за этого могут появиться дефекты на соединяемых заготовках.

На самом деле шлак после сварки существенно отличается от металла. Чтобы не совершить ошибку во время сваривания деталей, учитывайте следующие нюансы:

1. Оттенок. В результате высокотемпературного воздействия происходит расплавление металлической заготовки, она становится красного цвета. Во время остывания оттенок красного металла будет темнее. Что касается шлака, то во время сварки он будет темным, после остывания светлеет.
2. Скорость остывания. Застывание металла происходит намного быстрее, чем шлака.
3. Структура. После остывания металлический сплав обладает большой плотностью, шлак, напротив, будет иметь рыхлую поверхность.
4. Текучесть. Металл после расплавления будет жидким и подвижным. Во время проведения сварочных работ мастер может увидеть закипание металла. Шлак будет тягучим, он труднее прогревается.

Читайте также: «Электродуговая сварка»

Чтобы определить, что перед вам шлак, а не металл, важно не пропустить момент появления шлаковых включений в сварочной ванне. Проследите за тем, как плавится металл: вы увидите яркий свет под концом электрода, за его очертаниями просматриваются четкие контуры стыкового соединения и непосредственно сварочной ванны. При этом металл будет светлого цвета, а шлаковые включения – темного оттенка.

Способы удаления сварочного шлака

По завершении сварочного процесса оксиды металлов будут защищать сварное соединение от резкого снижения температуры. Чтобы шов получится прочным, остывание металла должно происходить медленно и равномерно. Когда температура соединения понизится достаточно, следует удалить шлаки. Данный шаг нужен для того, чтобы проверить, насколько шов прочный, а также обнаружить дефекты (волчки, вкрапления неметаллической структуры). Также после удаления шлаков место стыка будет идеально ровным и эстетичным.

Когда сварщик завершит свою работу, соединение зачищается. Это необходимо сделать, когда сваривают достаточно толстые элементы. В данной ситуации требуется выполнить множество сварных швов поверх предыдущих, чтобы стык получится прочным. Если не убрать шлак, невозможно сделать последующий шов правильно, поскольку побочные продукты погасят сварочную дугу. Если вязкость шлака большая, важно убрать его, в противном случае соединение сформируется непоследовательно, хаотично, появятся корка и дефекты.

Падение температуры при удалении шлака у такого шва происходит равномерно, поэтому получится сделать ровный стык. При замедлении снижения температуры сварного соединения шлак начнет выходить на поверхность шва, мастер сможет быстро отделить его. Для этого заготовки из легированной стали нужно прогреть перед проведением сварочных работ до высокой температуры – 200-400 градусов Цельсия.

Читайте также: «Прямая и обратная полярность при сварке: как правильно выбирать»

Сварочный шлак пористый, между ним и металлом образуются слабые связи, поэтому удалить данный дефект получится механическим способом. Если не убрать расплавленные отходы сварки, соединение получится непрочным, сразу же разрушится. Чтобы удалить шлак и исключить его попадание внутрь шва, следует поменять режим сварки и выбрать оптимальное расположение электрода относительно свариваемых заготовок.

Обратите внимание! Убирать шлак нужно, как только металлическое соединение остынет и станет темного оттенка.

Когда сварочное соединение будет очищено от шлака, можно беспрепятственно обрабатывать стык. Посторонние включения являются побочным продуктом сварки, поэтому шлак просто выбрасывают. Необходимо помнить о том, что шлак – это отходы четвертого класса опасности. Это значит, что нужно контролировать процесс утилизации этого вещества. Также потребуется оформить специальный паспорт.

Сварочный шлак можно утилизировать либо переработать. Эта процедура достаточно простая: электроды, а также отходы переплавляют, заранее рассортировав, учитывая состав их примесей. Шлаки могут быть добавлены в сплавы, также в малом количестве их включают в состав флюсов. Переплавляя сварочные отходы, получают готовую легированную сталь с требуемым химическим составом.

Читайте также: «Электродуговая сварка»

Сегодня дуговая электрическая сварка применяется наиболее часто. Чтобы выполнить такую работу, потребуется простое оборудование и недорогие электроды. Главная особенность данного вида сварки – образование шлака. Этот побочный сварочный продукт появляется в результате плавления металлической заготовки. Несмотря на то что шлак является отходом, его можно применять с пользой при проведении сварочных работ.