Сварочные работы: современное оборудование н техноло­гия работ

Металлургические процессы при проведении сварочных работ

Взаимодействие металла с газами

Одним из сварочных процессов является взаимодействие металла с газами. Под воздействием теплоты электрической дуги происходит расплавление кромок свариваемого изделия, электродного (или присадочного) металла, покрытия или флю­са. При этом образуется сварочная ванна расплавленного ме­талла, покрытая слоем расплавленного шлака. При сварке про­исходит взаимодействие расплавленного металла со шлаком, а также с выделяющимися газами и воздухом. Это взаимодей­ствие начинается с момента образования капель металла элек­трода и продолжается до полного охлаждения наплавленного металла шва.

Металлургические процессы, протекающие при сварке> определяются такими показателями.*

1) высокой температурой;

2) небольшим объемом ванны расплавляемого металла;

3) большими скоростями нагрева и охлаждения металла;

4) отводом теплоты в окружающий ванну основной металл;

5) интенсивным взаимодействием расплавляемого металла с газами и шлаками в зоне дуги.

Высокая температура сварочной дуги вызывает также дис­социацию (распад) молекул кислорода и азота в атомарное состо­яние. Обладая большой химической активностью, эти газы ин­тенсивнее взаимодействуют с расплавленным металлом шва.

В зоне. дуги происходит распад молекул паров воды с диссоциа­цией молекул водорода, атомарный водород активно насыщает ме­талл шва. Высокая температура способствует выгоранию примесей и тем самым изменяет химический состав свариваемого металла, Не большой объем ванны расплавленного металла (при ручной свар­ке он составляет 0,5-1,5 см3, при автоматической сварке — 24-300см3) и интенсивный отвод теплоты в металл, окружающий ванну, не дают возможности полностью завершиться всем реакциям взаи­модействия между жидким металлом, газами и расплавленным шла­ком. Большие скорости нагрева и охлаждения значительно ускоря­ют процесс кристаллизации, приводят к образованию закалочных структур, трещин и других дефектов. Структурные изменения в металле околощовной зоны происходят под действием теплоты. Они приводят к ослаблению сварного шва. На расплавленный ме­талл существенное воздействие оказывают газовая среда и расплав­ленный шлак. Кислород поступает в зону сварки из воздуха и элек­тродного покрытия. Кислород, взаимодействуя с расплавленным металлом, в первую очередь окисляет железо, так как его концент­рация в стали наибольшая. Находясь в зоне дуги как в молекуляр­ном, так и в атомарном состоянии, кислород образует с железом три оксида: FeO (22,3%% Fe2Oa и Ге305. В процессе окисления железа уча­ствуют также находящиеся в зоне дуги углекислый газ и пары воды.

Из соединений железа с кислородом наибольшее влияние на свойства стали оказывает оксид железа FeO, так как только он растворяется в железе. Растворимость оксида железа в стали за­висит главным образом от содержания углерода и температуры металла. Растворимость оксида железа снижается с увеличени­ем содержания углерода в стали. При высокой температуре ста­ли растворимость оксида железа выше, чем при низкой темпера­туре. Поэтому при охлаждении стали происходит выпадение из раствора оксида железа FeO. При высоких скоростях охлажде­ния часть оксида железа остается в растворе, образуя шлаковые прослойки между зернами металла. Окисление примесей, содер­жащихся в стали, происходит либо непосредственно в дуге, либо при взаимодействии с оксидом железа, растворенного в свароч­ной ванне металла.

Значительное Сродство углерода, марганца и кремния с кис­лородом приводит к сильному уменьшению содержания этих примесей в расплавленном металле шва. Таким образом, кисло­род находится в стали преимущественно в виде оксидных вклю­чений железа, марганца и кремния. В кипящей низкоуглеродис­той стали СтЗ кислорода 0,001-0,002%, в спокойной стали — 0,03-0,08% . В металле шва при сварке незащищенной дугой со­держание кислорода достигает 0,3%, при сварке защищенной дугой — до 0,05%.

Азот в зону сварки проникает из окружающего воздуха. В зоне дуги азот находится как в молекулярном, так и в атомарном состоянии. Диссоциированный азот более активно растворяется в расплавленном металле сварочной ванны, чем молекулярный. Растворимость азота зависит от температуры металла шва. При охлаждении металла азот, выделяясь из раствора, взаимодейству­ет с металлом шва и образует нитриды железа (Fe2N, Fe^N), марганца (MnN) и кремния (SiN). При больших скоростях охлаж­дения азот не успевает полностью выделиться и составляет с металлом перенасыщенный твердый раствор. Со временем такой азот является причиной процесса старения металла.

В низкоуглеродистой стали азота содержится до 0,006%, в металле шва при сварке незащищенной дугой содержание азота достигает 0,02%, а при сварке защищенной дугой — до0,03%. Азот является вредной примесью стали, так как, повышая прочность и твердость, он вместе с этим значительно снижает Пластичность и вязкость металла. Устраняют влияние азота на качество сварного шва. хорошей защитой зоны Дуги от атмосферного воздуха. Кроме того, применяют сварочные материалы, содержащие алюминий, титан и другие элементы, которые образуют Нитриды, выходящие в шлак или менее, чем азот, снижающие качество шва.

Водород в зоне сварки образуется во время диссоциации водя­ных паров при высоких температурах дуги. Пары воды попадают в зону дуги из влаги электродного покрытия или флюса, ржавчи­ны и окружающего воздуха. Молекулярный водород распадается на атомарный, который хорошо растворяется в расплавленном металле.

Растворимость водорода в железе в значительной степени зависит от температуры металла. При температуре 2400‘С насы­щение достигает максимального значения (43 см3 водорода на 100 г металла). При высоких скоростях охлаждения металла водород переходит из атомарного состояния в молекулярное, но полностью выделиться из металла не успевает. Это вызывает пористость и мелкие трещины. Снижение влияния водорода на качество сварнохх) шва достигается сушкой и прокалкой матери­алов сварки, очисткой от ржавчины и защитой зоны дуги. Для получения сварного шва высокого качества необходимо принять меры по защите расплавленного металла сварочной ванны глав­ным образом от воздействия кислорода, азота и водорода.

Защита сварочной ванны осуществляется созданием вокруг дуги газовой оболочки и шлакового слоя над ванной расплавлен­ного металла. Однако эти меры полностью не предохраняют от насыщения металла кислородом, поэтому необходимо произво­дить как раскисление металла, так и удаление образовавшихся оксидов из сварочной ванны.

Раскисление жидкого металла сварочной ванны производят, вводя него элементы, имеющие большое сродство к кислороду: алюминий, титан, кремний, углерод, марганец. Эти элементы вводят в сварочную ванну либо через электродную проволоку (присадочный металл), либо через электродное покрытие или флюсы.

Алюминий в качестве раскислителя применяется редко, так как он образует тугоплавкие оксиды и придает стали склонность к образованию трещин.

Титан является активным раскислителем и поэтому широ­ко применяется в различных электродных покрытиях. Раскис­ление протекает по реакции:

2FeO + Ті = 2Fe + ТЮ2

Кроме того, титан образует нитриды, снижая содержание азота в металле.

Кремний очень хороший раскислитель и применяется в элек­тродных покрытиях и флюсах в виде ферросилиция или кварце­вого песка. Раскисление кремнием происходит по реакции:

2FeO + Si = 2Fe + Si02

Кроме того, протекает реакция образования силикатов:

Si02 - f FeO = FeO ♦ Si02

Полученные оксиды и силикат оксида железа выходят в шлак.

Углерод образует с кислородом газообразный оксид углеро­да, который в стали не растворяется, а выделяется в виде пузырь­ков. При больших скоростях охлаждения оксид углерода не ус­певает выделиться из металла шва, образуя в нем газовые поры. Раскисление протекает по реакции:

FeO + С = Fe + СО

Для предупреждения пористости металла шва рекомендует­ся вводить в сварочную ванну кремний в таком количестве, что­бы подавить раскисляющее действие углерода.

Марганец является наиболее распространенным активным раскислителем. Он входит во многие электродные покрытия и флюсы. Раскисление происходит по реакции:

FeO + Мп = Fe + МпО

Оксид марганца, взаимодействуя с оксидом кремния, обра­зует не растворяющийся в стали силикат оксида марганца:

МпО + Si02 = МпО • Si02

Марганец также способствует удалению серы из стали:

FeS + Мп = Fe + MnS

Сернистый марганец не растворяется в стали и выходит в шлак.

Для восстановления первичного химического состава метал­ла, а в ыекоторых случаях и для улучшения механических свойств шва производят легирование наплавляемого металла. Цель ле­гирования — восполнить выгорание основных примесей стали и ввести в металл шва элементы, придающие стали специальные качества. Легирующие элементы — кремний, марганец, хром, мо­либден, вольфрам, титан и др. — используют через электродное покрытие, в виде ферросплавов и электродного металла.