.Особенности металлургических процессов при сварке

Особенности металлургических процессов при сварке

Подготовил Акхузин Андрей Ахметович, преподаватель ФКП ОУ№228. ,г.Курган,Курганская область

При сварке плавлением под воздействием теплоты электрической дуги происходит образование сварочной ванны.

Сварочная ванна – это небольшой объем перегретого выше температуры плавления расплавленного металла, находящегося в контакте:

• сверху – с газовой атмосферой дуги;
• снизу – с твердым холодным основным металлом.

Сварочная ванна образуется в результате расплавления и перемешивания основного и электродного (или присадочного) металлов.

Химический состав сварочной ванны определяется химическим составом основного металла и химическим составом электродной проволоки.

Конечный состав шва формируется после протекания металлургических процессов в сварочной ванне в результате ее контакта с выделяющимися газами, шлаком и воздухом.

Металлургические процессы в сварочной ванне соответствуют закономерностям металлургии, но имеют свои особенности:

1 Высокая температура процесса (температура столба дуги составляет около 6000 ⁰С), которая обуславливает:

• Высокую скорость протекания физико-химических процессов, происходящих при расплавлении металла. Оно вызывает также диссоциацию (распад молекул кислорода, азота и паров воды в объеме дуги). В атомарном состоянии распавшиеся молекулы обладают высокой химической активностью и интенсивно взаимодействуют с расплавленным металлом шва. Высокая температура способствует выгоранию примесей, тем самым изменяет химический состав свариваемого металла.
• Высокую скорость протекания физико-химических процессов, происходящих при расплавлении металла.
• Оно вызывает также диссоциацию (распад молекул кислорода, азота и паров воды в объеме дуги). В атомарном состоянии распавшиеся молекулы обладают высокой химической активностью и интенсивно взаимодействуют с расплавленным металлом шва.
• Высокая температура способствует выгоранию примесей, тем самым изменяет химический состав свариваемого металла.

2 Небольшой объем ванны расплавленного металла (при ручной сварке – 0,5…1,5 см3) не дает полностью завершиться реакции взаимодействия между жидким металлом, газами и расплавленным шлаком

3 Большие скорости нагрева и охлаждения. Они значительно ускоряют процесс кристаллизации шва, приводят к образованию закалочных структур, трещин и других дефектов.

4 Отвод теплоты из сварочной ванны в основной металл. В околошовном металле происходит изменение структуры металла, которое приводит к ослаблению шва.

5 Взаимодействие расплавленного металла с газами (кислород, азот, водород) и шлаками в зоне дуги.

При неправильном ведении процесса сварки водород образует пары в шве, кислород и азот ухудшают механические свойства металла. Кислород попадает в зону сварки из окружающего воздуха, из влаги кромок свариваемого металла, из влаги флюсов, обмазки электродов, а также из самих материалов обмазки и флюсов (в них кислород находится в связанном состоянии в виде оксидов марганца и кремния).

Дополнительный источник кислорода и водорода – это ржавчина , загрязнения и конденсирования влаги на поверхностях проволоки и свариваемого металла.

Основные реакции в зоне сварки

Рассмотрим взаимодействие расплавленного металла с газовой средой, и взаимодействие металла и шлака.

1 Взаимодействие расплавленного металла с кислородом, азотом, водородом

Взаимодействие металла с кислородом – это окисление.

Процесс нежелательный, но неизбежный.

Окисление может идти по двум направлениям:

- окисление основы сплава,

- окисление примесей содержащихся в стали.

1.1 Окисление основы сплава.

В случае со сталями – это окисление железа с образованием его оксидов.

В зоне дуги молекулярный кислород распадается с образованием атомарного кислорода. Диоксид диссоциирует с образованием углерода (образуется при распаде в дуге покрытий и флюса).

Кислород образует с железом три оксида:

• FeO – закись железа (оксид двухвалентного железа);
• Fe2O3 – оксид трехвалентного железа;
• Fe3O4 , FeO∙Fe2O3 – оксид железа со слабыми кислотными свойствами.

При охлаждении стали оксиды выпадают из раствора в шлак, но при высоких скоростях охлаждения часть оксидов застревает в растворе, образую шлаковые прослойки между зернами металла.

1.2 Окисление полезных примесей содержащихся в стали.

Это кремний, марганец, титан, хром, углерод и д.р.

Образуются оксиды этих металлов, которые не растворяются в железе. Они как бы «вынимаются» из состава стали и переходят в шлак.

Оксид углерода СО2 выделяется в атмосферу.

Взаимодействие расплавленного металла с азотом.

Азот попадает в зону сварки из окружающего воздуха. В зоне сварки находится в молекулярном (N2) и атомарном (N) состояниях и растворяется в металле шва.

При содержании азота свыше предела растворимости образуются химические соединения – нитриды.

Это нитриты: железа – Fe2N, Fe4N;

марганца – MnN;

кремния – SiN.

В легированных сталях – это нитриды легирующих элементов.

Азот является вредной примесью стали, т.к. снижает ее пластичность и вязкость (хотя и повышает твердость и прочность).

Взаимодействие металла с водородом.

Водород в процессе сварки образуется во время диссоциации водяных паров при высокой температуре дуги.Водяные пары находятся во влаге покрытия электрода, во флюсе, в ржавчине и окружающем воздухе.

Водород (в молекулярном и атомарном состоянии) растворяется в железе. Растворимость зависит от температуры металла. При температуре 2400 ⁰С насыщение металла водородом достигает максимума (43 см3 на 100 г металла).

При высоких скоростях охлаждения водород не успевает полностью выделится из металла и образует пористость металла шва и мелкие трещины в структуре металла, что редко снижает пластичность металла.

Кроме этого водород может образовать гидриды с некоторыми элементами из структуры металла: Ti, V, Nb.

Для получения сварного шва высокого качества расплавленный металл сварочной ванны необходимо защищать.

Способы защиты сварочной ванны:

• Создание защиты дуги и ванны. Это покрытие электродов, флюсы, защитные газы, вакуум.
• Тщательная очистка свариваемой поверхности, проволока.
• Прокалка сварочных материалов и осушка защитных газов.
• Введение в состав сварочных материалов элементов – расширителей, которые могут связывать кислород, попавший в сварочную ванну с образованием не растворимых оксидов (для стали Mn, Si, Ti).
• Применение сварочных материалов с повышенным содержанием легкоокисляющихся элементов с учетом их выгорания при сварке.

• II Взаимодействие расплавленного металла и шлака
• Оно определяется составом шлака.
• Шлаки образуются в результате расплавления электродов или флюсов. Они состоят из смеси оксидов, фторидов, хлоридов различных элементов и чистых металлов.

В результате взаимодействия со шлаком происходит:

• Раскисление металла сварочной ванны.
• Удаление вредных примесей, путем связывания их в нерастворимые соединения и вывода их в шлак.
• Легирование шва для восполнения выгоревших при сварке элементов металла или придания шву специальных свойств.

Легирующие элементы это: Si, Mn, Cr, Mo, W, Ti вводят в состав электродных материалов, покрытий, флюсов в чистом виде или в виде химических соединений.

Во флюсе – это ферросплавы (ферросилиций, ферромарганец, феррохром, феррованадий и т.д.). Все три процесса носят положительный характер.

Раскисление

Жидкий металл сварочной ванны раскисляют вводя в него элементы, имеющие большое сродство к кислороду: Al, Ti, Si, C, Mn.

Эти элементы вводят в сварочную ванну либо в виде электродной проволоки (или присадочного металла) либо электродного покрытия, либо флюса.

• Алюминий

Раскисление протекает по реакции:

3FeO+2Al=3Fe+Al2O3

Где Al2O3 – тугоплавкий оксид, придающий стали склонность к образованию трещин. Поэтому алюминий как раскислитель применяется редко.

• Титан

Раскисление титаном протекает по реакции:

2FeO+Ti=2Fe+TiO2

Титан является активным раскислителем, т.к. кроме оксида TiO2 образует нитриды TiN, снижая содержание азота в металле.

• Кремний

Раскисление кремнием происходит по реакции:

2FeO+Si=2Fe+SiO2

Кроме того, протекает реакция образования силикатов:

SiO2+FeO=FeO∙SiO2

где FeO∙SiO2 силикат оксида железа.

Силикаты не растворяются в железе и выходят в шлак.

• Углерод

Раскисление углеродом происходит по реакции:

FeO+C=Fe+CO

где СО – оксид углерода (моноокись улерода) не растворяется в стали и выделяется в виде пузырьков

При больших скоростях охлаждения СО не успевает выделится из металла шва и образует в нем газовые поры.

Для предупреждения пористости в сварочную ванну вводят кремний в большом количестве, чтобы подавить раскисляющее действие углерода.

• Марганец

Самый распространенный раскислитель. Раскисление проходит по реакции:

FeO+Mn=Fe+MnO

MnO+SiO2=MnO∙SiO2

Оксид марганца взаимодействует с оксидом кремния и образует нерастворимый в стали силикат марганца.

Кроме этого марганец способствует удалению серы из стали по реакции:

FeS+Mn=MnS+Fe

где МnS – сернистый марганец. Не растворяется в стали и выходит в шлак.

Вывод: металлургический процесс при сварке характеризуется тремя отрицательными процессами:

• Выгорание элементов из металла сварочной ванны.
• Насыщение расплавленного металла газами: водорода и азота.
• Окисление металла шва.

И двумя положительными процессами:

• Раскисление алюминия, титана, кремния, углерода, марганца.
• Легирование металла шва этими элементами.