Влияние защитных покрытий на качество автоматической сварки металлов

Все чаще для газовой дуговой сварки металлов в цехах используются роботизированные комплексы. При этом на первый план выходит качество подготовки металлов. Сварные элементы конструкций часто защищаются различными грунтовками и покрытиями. Исследователи Санкт-Петербургского Политеха провели исследование влияния защитных противокоррозионных покрытий на процесс сварки. Сложные неравновесные физико-химические процессы, протекающие под воздействием высоких температур и электродугового разряда, а также наличие продуктов, влияющих на параметры сварки, оказывают существенное влияние на качество соединений. Продукты пробоя покрытий снижают устойчивость электрической дуги и способствуют увеличению разбрызгивания и пористости металла, что может привести к ослаблению структуры, особенно при наличии растягивающих напряжений.

В результате исследований выяснилось, что покрытия, включающие в себя кислород, водород, азот, и монооксид углерода, негативно сказываются на стабильности горения сварочной дуги. Поры в металле образуются в результате значительного снижения растворимости газов.

Затраты на удаление коррозии велики, поэтому экономически выгоднее использовать защитное покрытие, которое удаляется перед сваркой. Это дешевле, чем бороться с ржавчиной. А если нанести защитное покрытие, которое перед сваркой удалять не надо? Но в этом случае нужны исследования, гарантирующие, что продукты грунтовки не повлияют на качество шва.

Научная группа Лаборатории легких материалов и конструкций СПбПУ проанализировала поведение различных покрытий. На примере эпоксидных, алкидных, акриловых и других покрытий эксперты установили зависимости, связывающие параметры противокоррозионных материалов (толщину сухого слоя и элементный состав) и технологические характеристики сварки и сварного шва (сила тока, напряжение дуги, склонность к разбрызгиванию, пористость). Научная группа СПбПУ также определила типы наиболее качественных покрытий и их толщину.

По своим функциональным задачам и сроку службы материалы защиты от коррозии делятся на цеховые грунтовки и защитные покрытия. Цеховые грунтовки обычно наносятся слоем 10 – 30 мкм и используются для антикоррозионной защиты заготовок при транспортировке, хранении и сборке в течение 3 – 9 месяцев. Они могут быть использованы в качестве первого слоя в комплексной защите металла или удалены перед окончательной покраской одним из следующих способов: механическим, абразивно-струйным, водоструйным, химическим или лазерным. Удаление грунтовки любым из этих способов требует дополнительных финансовых и временных затрат, но даже в этом случае использование цеховых грунтовок более экономично, чем удаление ржавчины. Защитные покрытия наносятся гораздо более толстым слоем, и они обычно выполняют сразу несколько функций: адгезию к подложке, коррозионную стойкость, покрытие, декоративность и т. д. Срок их службы, в зависимости от условий эксплуатации, может достигать пяти и более лет. 

Например, EpoxyCoat-019 и мастика EpoxyCoat содержат широкий спектр различных природных наполнителей и используются в качестве грунтовки или верхнего слоя. Первый применяется для защиты стали от коррозии для гидротехнических сооружений, свободных и подводных бортов судов, подземных трубопроводов, металлоконструкций, в том числе имеющих следы коррозии; второй–для внутренних и наружных поверхностей резервуаров, эксплуатируемых в контакте с водой и нефтепродуктами.

Одним из наиболее востребованных покрытий, которые применяются, например, для защиты крупногабаритных мостовых конструкций, являются цинконаполненные покрытия с высокими барьерными свойствами. Рабочая толщина цинконаполненных покрытий составляет 40 – 120 мкм, и при необходимости их можно дополнительно покрыть другими материалами.

Поведение кремнийорганических покрытий на основе полиорганосилоксанов и гидросиликатов при сварке интересно ввиду их высокой термостойкости (в течение длительного периода времени 300-600°С, в течение короткого времени до 1200°С), которая значительно превышает температуры их образования и начала разрушения пленок кремнийорганических покрытий. В зависимости от условий эксплуатации и марки рекомендуется наносить слоем 100 – 200 мкм. Однако в некоторых случаях на заводе наносится слой толщиной 50 – 80 мкм, а окончательная покраска производится после монтажа конструкции. 

Электрическая дуга вызывает пиролиз покрытий на основе углеводородных и кремнийорганических связующих и последующее испарение продуктов распада, основными из которых являются водород, водяной пар, углекислый газ, реже азот и газообразные соединения на основе различных оксидов металлов. Поры образуются в результате значительного снижения растворимости газов (в первую очередь водорода, азота и монооксида углерода), которые распределяются в жидкой сварочной ванне при ее затвердевании. Другие газы, в том числе другие летучие продукты разложения покрытий (например, метан, бензол, формальдегид, циклосилоксаны в случае органосиликатных покрытий и др.), не играют существенной роли в образовании пор. Жидкий металл сварочной ванны нагревается в среднем до 1727 – 2127°С, при этом температура около 2900°С достигается в каплях электродного металла и в передней части сварочной ванны вблизи погружения капли. При этих температурах нагретый металл, взаимодействуя с газами, активируемыми дугой, может поглощать их в количествах, значительно превышающих обычную растворимость в твердом металле. Растворимость газа уменьшается с последующим охлаждением жидкого металла, и сварочная ванна пересыщается газами во всем объеме.

Леонид Жабрев, инженер лаборатории легких материалов и конструкций СПбПУ пояснил: «Мы хотим выявить фундаментальные закономерности того, как быстротечный и высокотемпературный процесс сварки влияет на продукты разрушения покрытий. Эксперимент проходил с участием технологов и производителей лакокрасочных материалов, предоставивших для эксперимента исчерпывающую палитру покрытий».

Источники: СПбПУ, Coatings