20.10.2022

Группа 512

Предмет: Основы технологии сварки и сварочного оборудования

Тема : Металлургические процессы при сварке металлов плавлением

Тема урока: Металлургические процессы при сварке металлов плавлением: понятие, характерные особенности в сравнении с особым металлургическим процессом, необходимость учета их влияния при определении свойств и прочности металла шва.

Цель урока: изучить данную тему, составить конспект урока. 

Особенности металлургии сварки. Применение при сварке мощных высококонцентрированных и высокотемпературных ис­точников теплоты приводит к местному расплавлению основного и присадочного металлов и образованию сварочной ванны. На­грев основного и присадочного металлов до расплавления, их последующее охлаждение и затвердевание сопровождаются Фазо Выми переходами в веществе. При сварке плавлением имеет ме­сто взаимодействие между жидким и твердым металлами, газом и жидким шлаком.

Высокая температура нагрева расплавленного металла, ма­лый объем сварочной ванны и ее перемешивание, значительная скорость процесса, интенсивный отвод теплоты в околошовную зону и окружающую атмосферу, быстрая кристаллизация сва­рочной ванны усложняют получение сварного шва с заданными физико-механическими свойствами, которые предопределяются химическим составом металла шва и его структурой.

Химический состав металла шва и его свойства зависят от состава и доли участия в формировании шва основного и приса­дочного металлов, покрытия и флюсов, степени защиты от возду­ха, приемов ведения и режимов сварки. Металл шва образуется в результате перемешивания в сварочной ванне основного и при­садочного металлов и реакций взаимодействия нагретого метал­ла с газами атмосферы и защитной средой.

Одной из серьезных задач при сварке плавлением является зашита сварочной ванны ст вредного воздействия воздуха І Предотвращение попадания в металл шва вредных веществ (вла­ги, ржавчины, минеральных масел и других загрязнений) Высо­кая температура источника нагрева и объекта теплового воздей­ствия значительно ускоряет физико-химические процессы в зоне сварки. Кислород, азот и водород переходят в атомарное состояНиє и более интенсивно взаимодействуют с расплавленным ме­таллом Кислород является наиболее вредной примесью, и его повышенное содержание в сварном шве приводит к понижению прочности, пластичности, вязкости и антикоррозионных свойств

Последнего.

С железом кислород образует три вида оксидов: FeO, ЇїегОз И РезС>4. Наиболее отрицательное воздействие оказывает FeO, Который хорошо растворяется в расплавленном металле шва, по­вышая его порог хладноломкости — температуру, при которой металл теряет пластичность. Для швов с повышенным содержа­нием FeO Этот порог составляет —(10...15) °С.

Азот, попадающий в зону сварки главным образом из возду­ха, растворяется в большинстве конструкционных материалов и со многими элементами образует называемые нитридами соеди­нения, снижающие пластичность и повышающие твердость ме­талла шва.

На степень насыщения металла шва азотом оказывают влия­ние режимы сварки и охлаждения. С увеличением силы тока и дугового промежутка содержание азота уменьшается. Медленное охлаждение шва способствует удалению из него газообразного азота.

Водород поступает в зону сварки из атмосферной влаги, а также из влаги, содержащейся в покрытиях электродов, флю­сах, ржавчине на кромках заготовок; он растворяется в боль­шинстве металлов. Железо, никель, кобальт, медь и некоторые другие металлы не вступают в соединение с водородом, а титан, ванадий, тантал, ниобий и другие образуют с ним химические соединения — гидриды.

Атомарный водород, растворяясь в жидком металле, может оставаться в этом состоянии до тех пор, пока температура дости­гает —200 °С. В интервале температур 200...20 °С водород пере­ходит из атомарного состояния в молекулярное, вызывая при этом значительные внутренние напряжения и, как следствие, образование флокенов — трещин, представляющих собой в изло­ме светлые скруглые пятна, напоминающие хлопья снега. Гидри­ды и флокены снижают прочность, вязкость и пластичность шва.

Для защиты сварочной ванны от вредного воздействия воз­духа используют флюсы, покрытые электроды, порошковую про­волоку При их расплавлении образуется шлак, который, расте­каясь по поверхности металла, играет роль защитного слоя.

Сера попадает в сварочную ванну из флюсов либо из основ­ного или электродного металла; соединяясь с железом, она обра­зует сульфид железа FeS. Соединение последнего с железом при кристаллизации сварочной ванны приводит к возникновению эвтектики (FeS—Fe) С температурой плавления 988 °С Обладая малой растворимостью в жидкой стали, эвтектика группируется в колонии, располагающиеся между зернами и проходящие цикл кристаллизации значительно позже основного металла шва. П( д воздействием внутренних напряжений происходит образование горячих трещин.

Попадающий в сварочную ванну из флюсов или диффундиру­ющий из основного металла фосфор, растворяясь в зернах фер­рита, подобно оксиду железа FeO, Резко повышает температуру перехода в хрупкое состояние — вызывает хладноломкость стали.

Для уменьшения содержания в шве водорода пользуются рядом практических приемов: электроды и флюсы перед сваркой тщательно прокаливают; кромки свариваемых заготовок и сва­рочную проволоку очищают от влаги, грязи и ржавчины; швы выполняют за минимальное число проходов, так как при наложе­нии последующего шва предыдущий шов в момент вторичного расплавления насыщается водородом; при выполнении сварочны операций на открытой площадке обеспечивают защиту зоны сварки от атмосферных осадков; сварку ответственных конструк­ций выполняют только при положительных температурах.

Раскисление, рафинирование и легирование сварочной ванны

Зашита сварочной ванны шлаками не обеспечивает полного пре дохранения металла от насыщения кислородом и образования оксидов. Раскисление металла сварочной ванны произво­дят с целью удаления из нее химическим путем главным образом оксида железа FeO Осуществляют операцию с помощью марган­ца, кремния, титана либо алюминия, которые специально вводят в состав флюсов или покрытий электродов. Раскислителями яв ляются и чистые металлы, и ферросплавы. В результате раскис ления образуются соединения (MnO, Si02, ТЮ2, А1203), нерас творимые в расплавленном металле шва и переходящие в шлак

FeO + Мп ->■ Fe -F- MnO 2FeO-F Si 2Fe -F- Si02 2FeO + Ті -* 2Fe + Ti02 3FeO + 2A1 3Fe -F A1203 Операцию по удалению сульфитов, фосфидов, нитридов и во­дорода, осуществляемую также химическим путем, называю-' рафинированием. Для уменьшения в шве количества серь в покрытия и флюсы вводят марганец и известь СаО, образую шие прочные практически нерастворимые в жидком металле сульфиты, полностью переходящие в шлак:

FeS — Мп — Fe — MnS FeS -f СаО -> FeO — CaS, FeO - r Mn -> Fe + MnO

Фосфор присутствует в стали в виде фосфидов железа Fe3P И Fe2P, Удаляемых при раскислении:

2Fe3P + 5FeO 1 IFe + Р205 2Fe2P + 5FeO 9Fe + P205 Неметаллические включения удаляют из металла шва флюса­ми-растворителями, специально вводимыми в состав флюсов, по­крытий электродов и сердечников порошковой проволоки. Про­дукты их взаимодействия с включениями образуют легкоплавкую механическую смесь, имеющую невысокую плотность. Наиболее часто в качестве флюса-растворителя используют плавиковый шпат CaF2, Который одновременно позволяет уменьшить содер­жание атомарных азота и водорода, растворенных в металле сварочной ванны.

Атомарный фтор, выделяющийся из фтористого кальция CaF2, При высокой температуре вступает в химическую реакцию с атомарным азотом или водородом, образуя фто­ристый азот (фтористый водород), переходящий из металла в шлак или атмосферу.

Рис. 3.3. Схема кристаллизации ме­талла в сварочной ванне:

Легированием Называется введение спе­циальных, так называе­мых легирующих элемен­тов в основной металл с целью получения заданных служебных свойств последнего. При легировании металла сварочной ванны в элек­тродный или присадоч­ный металл вводят хром, никель, ванадий, молибден, вольфрам, титан, бор и др.

/ — неметаллические шлаковые частицы, 2 — зона сплавления, 3 — зона термичес­кого влияния, 4 — столбчатые кристаллы шва

Кристаллизация металла при сварке. Различают первичную и вторичную кристаллизации. Переход металла сварочной ванны из жидкого состояния в твердое называется первичной кри­сталлизацией. Первичная кристаллизация металла свароч­ной ванны начинается от частично оплавленных зерен основного или ранее наплавленного металла и продолжается по нормали от линии расплавления (рис. 3.3)

Вторичная кристаллизация происходит после за­вершения первичной и характеризуется сменой кристаллических решеток (полиморфные превращения) и изменением структуры.

Вторичная кристаллизация характерна только для металлов, ис­пытывающих полиморфные превращения (железо, кобальт, титан, марганец и др.). Решающее влияние на характер протекания п >. диморфных превращений оказывает скорость охлаждения. Чем тоньше слой шлакового покрытия и ниже температура окружаю­щей среды, тем выше скорость охлаждения и вероятность обр. зования внутренних напряжений и трещин.

Строение сварного соединения.

Соединение, выполняем'Є Сваркой плавлением, состоит из четырех зон: наплавленного талла; сплавления; термического влияния; основного метал а (рис. 3.4).

Рис. 3.4. Схема строения сварного соединения при дуговой сваг Ке стали: А — зона наплавленного металла Б — зона сплавления. В — зона терм 1 ческого влияния, Г — зона основного металла

Зона наплавленного металла представляет Собої Перемешанный в жидком состоянии с основным металлом мате риал электрод г. или присадочной проволоки.

Зона сплавления — это слой основного металла тог шиной О, К..0,4 мм с частично оплавленными зернами. Перегре металла в этой зоне приводит к образованию игольчатой струк­туры отличающейся хрупкостью и пониженной прочностью, и оказывает значительное влияние на свойства соединения в целом.

Зона термического влияния состоит из четырех участков (1...4), различающихся структурой. Участок перегрева /—область основного металла, нагретого до 1100. ..1450 °С и имеющего крупнозернистую структуру с площадью поверхности зерна, до 12 раз превышающую площадь исходных зерен. Пере­грев снижает механические свойства металла, главным образом пластичность и вязкость. Разрушение сварного соединения обыч но происходит по этому участку, ширина которого достигает 3...4 мм.

Участок нормализации 2—область основного металла, на­гретого до 900... 1100 °С. Благодаря мелкозернистой структуре механические свойства металла на этом участке выше по сравне­нию с основным металлом. Ширина участка составляет 1...4 мм

Участок неполной перекристаллизации 3 — область основно­го металла, нагретого до 725...900 ЭС; состоит из мелких и круп­ных зерен. Неравномерное кристаллическое строение приводит к снижению механических свойств

Участок рекристаллизации 4 — область основного металла, нагретого до 450...725 °С. При этих температурах происходит вос­становление формы зерен, деформированных в результате пре­дыдущего механического воздействия (при прокатке, штамповке и др.). Ширина зоны термического влияния зависит от удельной энергии е3, введенной в заготовку, и вида сварки (например, при ручной дуговой сварке качественными электродами она состав­ляет 5...7 мм).

Зона основного металла условно начинается от границы с температурой 450 °С. Структура при температурах ниже 450 °С не отличается от структуры исходного металла, од­нако сталь, нагретая до температур 200...400 °С, обладает худши­ми механическими свойствами, что объясняется выпадением по границам зерен оксидов и нитридов, ослабляющим связь между зернами. Это явление, вызывающее понижение пластичности и ударной вязкости при одновременном повышении прочности ме­талла, называется синеломкостью (характерны синие цвета по­бежалости) .

Свариваемость металлов и сплавов.

Под свариваемо­стью понимают способность материалов образовывать соедине­ния, механические и другие эксплуатационные свойства которых находятся на уровне основного материала. Свариваемость может быть оценена конкретными количественными характеристиками. В зависимости от назначения и условий эксплуатации конструк­ции определяют: склонность к образованию горячих и холодных трещин в металле шва и зоне термического влияния; склонность к образованию пор; механические свойства; коррозионную стой - кость; структуру; химический состав и другие свойства. Свари­ваемость определяется не только свойствами материала — она зависит от способа и режима сварки, состава сварочных мате­риалов, конструктивного оформления сварного узла, условий эксплуатации изделия. Различают физическую, технологическ ю и эксплуатационную свариваемость.

Физическая свариваемость определяется процессами, проис­ходящими на границе соприкосновения свариваемых заготовок при различных физико-химических методах соединения металлов (физический контакт, химическое взаимодействие, рекристалли­зация и др.).

Под технологической свариваемостью понимают возмож­ность получения сварного соединения определенным способом сварки. Технологическая свариваемость влияет на выбор пара­метров режима сварки и технологическую последовательность выполнения работ.

Под эксплуатационной свариваемостью понимают условия допустимого применения материалов в сварных конструкциях сварных изделиях.

Трещины в сварных соединениях.

В зависимости от темпера туры, при которой они образуются, трещины условно подразде ляют на горячие и холодные. Горячие трещины в сталях возни­кают при температуре, превышающей 1000 °С, а холодные — при более низкой. Трещины являются самым серьезным дефектом сварного соединения, как правило, не подлежащим устранению

Горячие трещины — это хрупкие межкристаллические разрушения металла шва и околошовной зоны, возникающие в твердо-жидком состоянии в процессе кристаллизации, а такж^ при высоких температурах в твердом состоянии. По современным представлениям горячие трещины вызываются действием дву факторов: наличием жидких прослоек между зернами в процессе кристаллизации и деформациями укорочения. При кристаллиз; ции жидкий металл шва последовательно переходит в жидк-. твердое, твердо-жидкое и твердое состояния.

В интервале температур плавления и полного затвердевани происходит миграция примесей и загрязнений в межзеренны пространства. Наличие между зернами жидкой фазы, примесе и загрязнений снижает деформационную способность шва и ок лошовной зоны. Неравномерность линейной и объемной усадо шва и основного металла при охлаждении приводит к возникно­вению внутренних напряжений, являющихся причиной появление микро- и макроскопических трещин как вдоль, так и поперек шва (рис. 3.5).

Причинами образования горячих трещин при сварке являют­ся следующие: большое количество вредных примесей (особенно серы и фосфора) в металле свариваемых заготовок; наличие в

Рис. 3.5. Топография горячих трещин в сварных соединениях: Л 2 — продольные в зоне термического вли­яния и шве, 3 — поперечные в зоне термиче­ского влияния

Металле шва элементов, образующих химические соединения с низкой температурой затвердевания (хром, молибден, ванадий, вольфрам, титан), нарушающие связь между зернами; жесткое закрепление свариваемых заготовок или повышенная жесткость самого сварного узла, затрудняющие перемещение заготовок при остывании.

Холодные трещины — это локальные меж - или транс­кристаллические разрушения сварных соединений, образующиеся в металле при остывании до относительно невысоких температур (как правило, ниже 200 ЭС) или при вылеживании готового изде­лия. Наиболее часто они поражают околошовную зону и реже — металл шва.

Для предупреждения образования холодных трещин приме­няют следующие технологические приемы: прокаливание флюсов и электродов перед сваркой; предварительный подогрев свари­ваемых заготовок до 250...450 °С; ведение процесса сварки в ре­жиме с оптимальными параметрами; наложение швов в правиль­ной последовательности; медленное охлаждение изделия после сварки; проведение непосредственно после сварки смягчающего отжига для снятия остаточных сварочных напряжений

Термическим способом широко пользуются для снятия оста­точных сварочных напряжений в изделиях из углеродистых и ле - 3.3. Температура снятия напряжений в стальных сосудах, работающих под давлением, после сварки плавлением

	Температуря
Сталь	Снятия напря - жения, °С
Низкоуглеродистая	580.	.650
Углеродистая с марганцем	Т.	.65 )
Углеродистая с 0,5 % молибдена	620.	.660
Легированная:
С 1 % хрома и 0,5 % молибдена	620.	.660
С 2,25 % хрома и 1 % молибдена	660.	.700
С 5 % хрома и 0,5 % молибдена	700.	.740
С 3,5 % никеля	500.	.620

Тированных сталей. Он основан на уменьшении предела текуче сти металла с ростом температуры. При общем нагреве изделия до заданных температур (табл. 3.3) остаточные растягивающие напряжения перераспределяются за счет местных пластических деформаций, уменьшая вероятность образования холодных тре­щин.

Тип трансформатора /Характеристика ТСД-500-1 ТСД-1000-4 ТСД-2000-2 Напряжение холосто­го хода Ux.X, В 80 71 79 Продолжительность работы ПР, % 60 Номинальная сила сварочного тока /н, А 500 1000 2000 Номинальная мощ­ность …

Классификация сварки. Согласно ГОСТ 19521—74, сварку ме­таллов классифицируют по физическим, техническим и техноло­гическим признакам. По физическим признакам (форме вводимой энер­гии, наличию давления и виду инструмента — носителя энергии) все виды …

Сварка является основным технологическим процессом из-, готовления всех видов металлических конструкций. Применение сварных соединений вместо клепаных или болтовых позволяет уменьшить массу (на 20...30 %), трудоемкость изготовления (на 20.. .30 %) …

19.7. Особенности металлургических процессов при сварке.

Сварка отличается от других металлургических процессов следующими особенностями:

• Происходит при высокой температуре нагрева;

• Протекает с большой скоростью, т.к. характеризуется очень малыми объемами нагретого и расплавленного металла;

• При сварке имеет место быстрый отвод тепла от расплавленного металла сварочной ванны в прилегающие к ней зоны твердого основного металла;

• На расплавленный металл в зоне сварки интенсивно воздействуют окружающие его газы и шлаки;

• В ряде случаев для образования металла шва используется присадочный металл, химический состав которого может значительно отличаться от состава основного металла.

• Высокая температура нагрева при сварке ускоряет процессы плавления электродного металла, основного металла, электродного покрытия и флюса. При этом имеет место значительное испарение, разбрызгивание и окисление веществ, участвующих в химических реакциях в зоне сварки.

• Молекулы ряда элементов (О2, Н2, N2) при высоких температурах дуги частично распадаются на атомы (т.е. диссоциируют). В атомарном состоянии эти элементы обладают более высокой активностью, чем в молекулярном. Вследствие этого, окисление элементов, насыщение металла азотом и поглощение водорода в процессе сварки протекают более интенсивно, чем при обычных металлургических процессах.

• Малые объемы расплавленного металла в сварочной ванне и интенсивный отвод тепла в окружающий (основной) металл обуславливают кратковременность протекающих химических реакций при высоких температурах процесса, поэтому не всегда эти реакции могут полностью завершиться. С другой стороны, сильно ускоряются процессы затвердевания и кристаллизации металла шва, что отражается на структуре твердого металла шва, получаемого после сварки, а также околошовной зоны основного металла.

Указанные особенности металлургических процессов при сварке затрудняют получение сварных швов высокого качества, особенно для металлов, чувствительных к быстрому нагреву и охлаждению, легко окисляющихся, склонных к образованию пористости, закалочных структур, трещин и других дефектов. Для сварки конструкций из таких металлов приходится применять специальную технологию и режимы, особые присадочные материалы, электроды, электродные покрытия, флюсы, в ряде случаев использовать предварительный и сопутствующий подогрев, а также последующую термообработку швов или целых изделий.

19.8. Основные реакции в зоне сварки.

Рассмотрим основные реакции в зоне сварки, характерные для стали, как наиболее распространенного в промышленности металла.

Реакции окисления и раскисления.

Кислород является наиболее вредной примесью, т.к. окисляет расплавленный металл, образуя окислы. Если окислы растворимы в жидком металле, то они поглощаются последним, образуя с ним при затвердевании твердые растворы.

Нерастворимые окислы выделяются из затвердевшего металла, переходя в шлак. Часть нерастворимых окислов остается в металле шва в виде включений шарообразной формы (так называемых глобул) или, располагаясь по границам зерен, нарушает сцепление их между собой.

При изучении реакций, протекающих в сварочной ванне, следует учитывать возможность окисления жидкого металла:

а) свободным (молекулярным и атомарным) кислородом газовой фазы;

б) кислородом, находящимся в свариваемых кромках в виде окислов и шлаков;

в) кислородом, растворенным в металлической ванне и химически активных шлаках (которые вступают в процессе сварки в обменные окислительно-восстановительные реакции с металлом сварочной ванны).

С железом кислород образует три окисла:

закись железа по реакции 2Fe + O22FeO;

окись железа по реакции 3Fe + 2O2Fe3O4;

закись – окись железа 2Fe + 1,5O2Fe2O3.

При окислении сначала образуется закись железа, которая в дальнейшем при соответствующих условиях (температуре, соотношении кислорода и железа в сварочной ванне) может переходить в окись и закись-окись.

Из всех трех окислов растворима в железе только закись. Остальные окислы в железе практически не растворимы и на его свойства влияния практически не оказывают. Однако окалина и ржавчина на свариваемых кромках, содержащие высшие окислы (закись-окись и окись железа), свободным железом могут раскисляться до закиси по следующим формулам:

Fe3O4 + Fe = 4FeO;

Fe2O3 + Fe = 3FeO

Образующая закись железа (FeO) растворяется частично в шлаке и частично в расплавленном металле, в результате чего в сварном шве образуются поры. В твердом железе растворимость кислорода невелика.

Присутствие кислорода в металле шва в виде твердого раствора или включений окислов, в первую очередь сказывается на ухудшении механических свойств наплавленного металла: понижаются пределы прочности и текучести, относительное удлинение, ударная вязкость. Кроме того, кислород вредно влияет и на другие свойства металла – снижает стойкость его против коррозии, повышает склонность к старению, делает металл хладноломким и красноломким.

Вследствие окисления содержание некоторых элементов в металле шва может резко уменьшиться, что заметно ухудшает его свойства (см.табл. ). Так, например, при сварке электродами без покрытия количество углерода в металле шва может уменьшиться на 50-60%, а марганца – на 40…50% по сравнению с содержанием их в электродной проволоке.

Для уменьшения растворимости окисла в металле необходимо иметь соответственно более низкую концентрацию окисла в шлаке, в результате окисел будет стремиться перейти из металла в шлак. И наоборот, более высокая концентрация окисла в шлаке способствует его переходу в металл, что используется при введении в покрытие электродов или во флюсы окислов марганца и кремния, чтобы компенсировать выгорание этих элементов при сварке:

SiO2 + 2Feж = 2FeO + [Si]

МnО + Feж = FeO + [Мn]

Таким образом, главным условием получения наплавленного металла высокого качества является защита его от окисления кислородом окружающей среды. Это достигается созданием вокруг расплавленного металла защитной среды из газов и шлаков (или вакуума).

Если жидкий металл содержит элементы раскислители, которые имеют большее сродство к кислороду, чем металл сварочной ванны, то в этом случае концентрация кислорода в сварочной ванне может быть значительно уменьшена за счет элементов раскислителей.

Если элементы, применяемые в качестве раскислителей при сварке, расположить по признаку уменьшения их химической активности к кислороду, то получим следующий ряд: Al, Ti, Si, V, C, Mn, Cr.

Эти элементы поступают в сварочную ванну из присадочного металла, покрытия электродов или из флюса. В качестве веществ, содержащих раскислители, применяют ферросплавы: ферромарганец, ферросилиций, ферротитан и другие.

Благодаря раскислению и защите зоны сварки и расплавленного металла газами и шлаками, образуемыми при расплавлении покрытия электродов и флюса, содержание кислорода в металле шва очень невелико и составляет 0,005-0,057% (в электродной проволоке содержание кислорода не более 0,01%).

Раскисление кремнием и марганцем происходит по реакциям:

2[FeO]+[Si](SiO2)+[Fe];

[FeO]+[Mn] (Mn)+[Fe].

Образующие при этом окись кремния (SiO2) и закись марганца (MnO) плохо растворимы в жидком металле и переходят в шлак. Кроме того, закись железа и закись марганца могут вступать в реакцию с кислотными окислами, образуя соединения типа 2FeOSiO2; 2MnOSiO2(силикаты) и 2FeOTiO2 (титанаты). Эти соединения почти не растворимы в жидком металле и полностью остаются в слое шлака.

Если в шлаках, образующихся при сварке, преобладают кислые окислы (SiO2, TiO2), то такие шлаки, а также образующие их покрытия и флюсы, называют кислыми. Преобладание в шлаке основных окислов (CaO, FeO, MnO, Na2O, K2O, MgO), наоборот, придает ему химические свойства основания. Соответственно, электродные покрытия и флюсы, дающие основные шлаки, называются основными.

При высоких температурах сварочной ванны, содержащиеся в шлаках окись кремния (SiO2) и закись марганца (MnO) вступают в реакцию с железом сварочной ванны. Эти реакции протекают на границе раздела жидкий шлак – жидкий металл по следующей схеме:

(SiO2)+2[Fe] → 2(FeO)+[Si]

↓

растворяется в металле [FeO]

(MnO)+[Fe] → (FeO)+[Mn]

↓

растворяется в металле [FeO]

С повышением температуры сварочной ванны скорость и полнота протекания этих реакций увеличивается.

Как видно из схемы, образующаяся закись железа (FeO) растворяется в жидком металле. При последующем остывании шва находящаяся в нем закись железа вступает в реакцию с другими элементами, содержащимися в расплавленном металле, такими как кремний, хром, марганец, образуя окислы этих элементов, которые могут оставаться в металле шва. Поэтому при сварке сталей, содержащих повышенное количество кремния, хрома и марганца, не рекомендуется пользоваться кислыми покрытиями или флюсами с высоким содержанием окислов кремния и марганца, т.к. при этом увеличивается содержание кислорода в металле шва, что снижает ударную вязкость.

Основные электродные покрытия и флюсы дают основные шлаки, содержащие преимущественно окись кальция (CaO), которая не отнимет кислород от окислов металлов. В покрытия основного типа, для раскисления наплавленного металла, вводят ферросплавы - ферросилиций и ферротитан. В электродных покрытиях этого типа основными реакциями раскисления будут:

Раскисление кремнием 2FeO+SiSiO2+2Fe

Раскисление титаном 2FeO+SiTiO2 +2Fe.

Эти реакции протекают без газообразования, и сварочная ванна остаётся спокойной. Поэтому покрытия основного характера называют также спокойными. Основные электродные покрытия дают наплавленный металл с высоким механическим свойствами.

В результате происходящих в сварочной ванне реакций раскисления содержание кремния и марганца в металле шва несколько увеличивается, например, кремния до 0,1…0,3%, марганца до 0,7…1,0% и более.

Раскисление углеродом, содержащимся в тех концентрациях, какие встречаются в стальных сварных швах, происходит менее активно, чем кремнием (более интенсивно раскисление углеродом может происходить при сварке угольным электродом на обратной полярности).

С кислородом окислов углерод взаимодействует, главным образом, в момент расплавления электрода и только в зоне наиболее высоких температур сварочной ванны. Раскисление же марганцем и кремнием происходит при более низких температурах и протекает вплоть до начала кристаллизации металла шва.

Раскисление углеродом происходит по реакции:

[FeO]+[C]CO↑+ [Fe]

Образовавшаяся газообразная окись углерода (CO) не растворяется в жидком металле и выделяется в атмосферу, вызывая сильное кипение сварочной ванны. Поэтому кислые покрытия называют кипящими.

Если кремния в металле шва недостаточно, то раскисление может происходить преимущественно за счет углерода с образованием (CO), избыточное количество которой не успевает выделится из кристаллизующегося металла и остаётся в нем, образуя газовые поры. Для получения плотного, беспористого шва необходимо подавлять реакцию окисления повышением содержания кремния в металле сварочной ванны до 0,2…0,3% .

При понижении содержания кремния в металле шва до 0,12% и ниже неизбежно образование большого количества пор.

Раскисление при сварке стальных заготовок применяется редко. Выше указывалось, что алюминий обладает большим сродством к кислороду. Однако окись алюминия (Al2 O3) не растворима в жидком металле и медленно переходит в шлак, кроме того, алюминий способствует окислению углерода, что вызывает пористость шва. Поэтому алюминий, как раскислитель, при сварке сталей вводится в металл шва только тогда, когда нужно уменьшить окисление других легко окисляемых элементов, например, титана, но имеющих меньшее сродство к кислороду, чем алюминий.

Для предотвращения насыщения металла водородом при сварке необходимо:

• Производить прокалку электродов перед сваркой.

• Хранить электроды в сухом месте в герметичных футлярах.

• Защищать места сварки от попадания влаги.

• Использовать проволоку без ржавчины и удалять ржавчину с кромок свариваемого металла.

• Стараться не применять многопроходных швов при автоматической сварке под флюсом, т. к. при наложении последующих слоев водород насыщает нижележащие слои в момент их расплавления.

19.9. Типы сварных соединений при ручной дуговой сварке зави­сят от взаимного расположения свариваемых элементов.

Сварные соединения и швы классифицируются по следующим основным признакам:

• виду соединения – стыковые, угловые, тавровые, нахлёсточные (рис.19.11);

• положению, в котором выполняется сварка – нижнее «в лодочку», нижнее угловое, нижнее стыковое, горизонтальное, вертикальное, полупотолочное и потолочное;

• конфигурации (прямолинейные, кольцевые, вертикальные, горизонтальные);

• протяжённости (сплошные и прерывистые);

• применяемому виду сварки;

• способу удержания расплавленного металла шва (швы, выполненные без подкладок и подушек; на съёмных и остающихся стальных подкладках; на медных, флюсо-медных, керамических и асбестовых подкладках, а также флюсовых и газовых подушках);

• количеству наложенных слоёв (одно- , двух- и многослойные швы);

• применяемому для сварки металлу (швы соединения углеродистых и легированных сталей, швы соединения цветных металлов, швы соединения винипласта и полиэтилена);

• расположению свариваемых деталей относительно друг друга (под острым или тупым углом; под прямым углом; а также располагаться в одной плоскости);

• действующему на шов усилию – комбинированные, косые, фланговые, лобовые;

• объёму наплавленного металла – швы нормальные, ослабленные, усиленные форме свариваемой конструкции (швы на плоских или сферических конструкциях);

• форме подготовленных кромок под сварку (V- образные, X-образные, K-образные и т.д.).

Ручную дуговую сварку применяют для изготовления конструк­ций из углеродистых, легированных и высоколегированных сталей, а также из чугуна, медных и алюминиевых сплавов толщиной от 1 до 50 мм. Ее целесообразно проводить в монтажных условиях.

Рис. 19.11. Виды сварных соединений: а - стыковые; б - нахлесточные; в - угловые; г - тавровые

Недостаток ручной дуговой сварки - малая производитель­ность, которая в свою очередь, зависит от квалификации сварщика.

• Реакции, возникающие при проведении электродуговой сварки
  • Характеристика реакций при дуговой сварке
• Физико-химические реакции, происходящие при проведении газосварки
• Влияние химсостава газосварочного пламени на окислительно-восстановительные реакции

Металлургические процессы при сварке протекают в зоне формирования сварочной ванны. Металлургию сварки характеризуют определенные физические и химические реакции, которые определяются взаимодействием плавящегося сплава со сварочными спецфлюсами, формирующимися в результате сварки шлаками и газами. Дополнительно в процессе проведения сварки происходят реакции, связанные со снижением температуры расплавленного сплава и кристаллизацией металла сварочной ванны.

Процесс плавления металла при скреплении деталей, с использованием специального инструмента, называется сваркой.

Физические и химические реакции, связанные с изменениями в металле, происходят на всех этапах осуществления дуговой электросварки. Основными этапами дуговой электросварки являются:

• плавление электрода, используемого в процессе электросварки;
• переход капель металла через электродуговой промежуток;
• попадание сварочного металла в сварочную ванну.

Схема дуговой сварки.

В отличие от реакций общей металлургии, которые протекают в сталеплавильных агрегатах, условия плавления металлической заготовки и протекания всех реакций при электродуговой сварке сильно отличаются целым комплексом особенностей. Эти особенности влияют на развитие плавления и на конечный результат. Основные особенности металлургических процессов при сварке следующие:

• небольшой объем зоны плавления;
• высокие температурные показатели и перегрев расплавленных компонентов в ванне;
• перемещение расплавленного сплава, его перемешивание и обновление;
• высокая скорость снижения температуры и кристаллизации компонентов, входящих в состав сварочной ванны.

При таких условиях происходит интенсивное взаимодействие между компонентами сплава.

Среди огромного количества реакций, которые протекают в процессе осуществления электросварочных работ, основными являются следующие:

Схемы движения электрода при ручной дуговой сварке.

• диссоциация образующихся газов и химсоединений;
• окисление расплавленного металла;
• раскисление компонентов сплава;
• раскисление под действием марганца;
• раскисление под воздействием кремния;
• раскисление под влиянием титана;
• раскисление под воздействием углерода;
• взаимодействие с газообразным азотом;
• химвзаимодействие с водородом;
• взаимодействие с серой и фосфором.

Все эти химпроцессы, происходящие при сварке плавлением, в той или иной мере оказывают воздействие на качество сварного соединения.

Вернуться к оглавлению

При диссоциации осуществляется распад сложных компонентов на отдельные атомы или составляющие части. Возникновению диссоциации способствует высокий температурный режим в зоне проведения сваривания и каталитическое действие металлического расплава. При проведении электродугового сваривания диссоциации подвергаются молекулы различных газов: кислорода, водорода и азота, дополнительно происходит распад углекислого газа, водяных паров и некоторых других.

В зависимости от условий проведения электродуговой сварки, получаемые при диссоциировании молекул водяного пара компоненты могут как восстанавливать, так и окислять компоненты сплава, присутствующие в сварочной ванне.

, присутствующий в составе флюса, также подвергается распаду. Получающийся свободный атом фтора связывает атомы водорода, препятствуя его растворению.

Принцип газовой сварки.

Окисление металлических компонентов происходит под влиянием газов, которые в процессе сваривания переходят в атомарное состояние. В первую очередь на процесс окисления огромное влияние оказывает атомарный кислород, получаемый из молекулярного, входящего в состав атмосферы, окисление металла снижает его качество. Дополнительно окислять атомы металла могут пары воды, которые в результате диссоциации образуют атомарный кислород. Получаемая при окислении окись двухвалентного железа, растворяясь в расплаве, резко снижает его физсвойства. При проведении дугового сваривания окислению подвергаются практически все компоненты, входящие в сталь заготовки, подвергаемой обработке.

Применяемая при проведении работы защита не всегда позволяет избежать окисления, поэтому для улучшения качества шва проводят раскисление компонентов сплава. Раскисление представляет собой восстановительный процесс, при котором осуществляется восстановление железа, содержащегося в электросварочной ванне. Образуемый при раскислении кислород переводится в металле в нерастворимые химсоединения. В качестве спецраскислителей применяется марганец, кремний, титан, алюминий и углерод. Раскислители вводятся в зону сваривания через проволоку, покрытие электросварочных электродов и флюсы.

Взаимодействие с азотом в атомарном состоянии возникает в процессе распада молекулярного газа при попадании в электросварочную дугу. Это ведет к синтезу нитридов, ухудшающих качество.

Взаимодействие с серой и фосфором понижает качество электросварного шва в области сваривания.

Вернуться к оглавлению

Металлургические процессы при газовой сварке полностью зависят от состава сплава, вводимых в расплав добавок и состава газового пламени.

Способы и режимы газовой сварки: А — ванночками; Б — по отборочным кромкам.

При проведении газовой сварки осуществляется взаимодействие расплавленных компонентов сплава, находящихся в сварочной ванне с пламенем газовой горелки. Реакции, происходящие при взаимодействии, полностью определяются физическими и химическими свойствами металлического расплава и составом пламени горелки. Сваривание осуществляется в восстановительном секторе факела, который состоит из оксида углерода и водорода. Различные компоненты по-разному реагируют с пламенем факела. Легче всего происходит окисление компонентов расплава, которые имеют большое сродство к кислороду. Окисление осуществляется за счет участия оксидов, входящих в состав основного металла и присадочной проволоки, дополнительно на скорость окисления оказывает влияние кислород атмосферного воздуха. При увеличении концентрации кислорода происходит снижение качества сварного шва и ухудшение его мехсвойств. Для снижения воздействия окислителей при проведении газосварочных работ в присадки вводятся специальные химсоединения — раскислители.

Раскислители представляют собой химвещества, имеющие большее сродство к кислороду, нежели компоненты основного расплава, из которого формируется электросварной шов. При проведении сваривания стали раскисляющим действием обладает углерод, оксид двухвалентного углерода и водород, которые образуются в процессе горения сварочного пламени. Это позволяет производить сваривание углеродистых сталей без использования присадочных флюсов.

Образуемый при проведении сваривания оксид двухвалентного углерода вызывает кипение расплава. Во время кипения происходит удаление нежелательных включений из расплава. При осуществлении кипения в момент кристаллизации образуются пузырьки, что снижает качество газосварки. Для уменьшения этого эффекта вводятся марганец и кремний.