Основы сварочного дела

Основные реакции в зоне сварки

Под воздействием теплоты элек­трической дуги происходит расплав­ление кромок свариваемого изделия, электродного (или - присадочного) ме­талла и покрытия или флюса. При этом образуется сварочная ваниа рас­плавленного металла, окруженная от­носительно холодным металлом (иног­да значительной толщины) и покры­тая слое^и 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.

Основные особенности металлурги­ческих процессов, протекающих при сварке, определяются следующими ус­ловиями: высокой температурой про­цесса, небольшим объемом ванны рас­плавленного металла, большими ско­ростями нагрева и охлаждения, отво­дом теплоты в окружающий ванну ос­новной металл и, наконец, интенсив­ным взаимодействием расплавляемого металла с газами и шлаками в зоне дуги.

Высокая температура сварочной дуги значительно ускоряет физико-хи­мические процессы, происходящие при плавлении металла. Она вызывает также в объеме дуги диссоциацию (распад) молекул кислорода, азота и паров воды. В атомарном состоянии газы, обладая большой химической активностью, интенсивно взаимодейст­вуют с расплавленным металлом шва. Высокая температура способствует выгоранию примесей и тем самым из­меняет химический состав свариваемо­го металла.

Небольшой объем ванны расплав­ленного металла (при ручной свар­ке— 0,5... 1,5 см3, при автомати­ческой сварке 24 ... 300 см3) . и ин­тенсивный отвод теплоты в окружаю­щий ванну металл 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. Под воздействием теплоты происходят структурные изменения в металле околошовной зоны, которые приводят к ослаблению сварного шва.

Рассмотрим взаимодействие рас­плавленного металла с газовой сре­дой и расплавленным шлаком. Га­зовая среда состоит главным образом из кислорода, азота и водорода.

Кислород поступает в зону сварки из воздуха и из электродного покры­тия. Взаимодействуя с расплавленным металлом, кислород в первую очередь окисляет железо. Находясь в зоне дуги как в молекулярном, так и в атомарном состоянии, кислород обра­зует с железом три оксида FeO (II), РегОз (III) и РезС>4. Взаимо­действие протекает по следующим реакциям:

2Fe F Ог^БеО; Fe + O^FeO;

4Fe + 302^2Fe203;

3Fe+202=** Fe304;

В процессе окисления железа уча­ствуют также находящиеся в зоне дуги диоксид углерода (СОг) и пары воды:

Fe -)- СОг FeO -)- СО; Fe -)- НгО^=£ 4=fc FeO -(- Н2.

Из соединений железа с кисло­родом наибольшее влияние на свойст­ва стали оказывает оксид FeO (II), так как только он растворяется в железе. Растворимость его зависит главным образом от содержания угле­рода в стали и температуры: с увели­чением содержания углерода в стали растворимость снижается; с ростом температуры растворимость повы­шается. Поэтому при охлаждении ста­ли происходит выпадение из раст­вора оксидов FeO (II). При высо­ких скоростях охлаждения часть окси­дов FeO (II) остается в растворе, образуя шлаковые прослойки между зернами металла.

Окисление примесей, содержащих­ся в стали, происходит либо непосред­ственно в дуге, либо при взаимодейст­вии с оксидом FeO (II), растворенным в сварочной ванне. Значительное срод­ство углерода, марганца и кремния к кислороду приводит к сильному уменьшению содержания этих приме­сей в расплавленном металле шва. Таким образом, кислород находится в стали главным образом в виде окси­дов железа, марганца и кремния.

В кипящей низкоуглеродистой ста­ли СтЗ кислорода содержится 0,001 ... 0,002%, а в спокойной ста­ли — 0,03 ... 0,08%. В металле шва при сварке незащищенной дугой содержа­ние кислорода достигает 0,3%, а при сварке защищенной дугой — 0,05%.

Азот в зону сварки проникает из окружающего воздуха. В зоне дуги азОт находится как в молекулярном, так и в атомарном состояниях. Ато­марный азот более активно раство­ряется в расплавленном металле сва­рочной ванны, чем молекулярный. Растворимость его зависит от темпе­ратуры. При охлаждении свариваемо­го шва азот, выделяясь из раствора, взаимодействует с металлом шва и образует химические соединения: нит­риды железа (Fe2N, Fe4N), марган­ца (MnN) и кремния (SiN). При больших скоростях охлаждения азот не успевает полностью выделиться и составляет с металлом пересыщенный твердый раствор. Такой азот со вре­менем является причиной старения металла и снижения его механических свойств.

В низкоуглеродистой стали азота содержится до 0,006%, в металле шва при сварке незащищенной дугой со­держание азота достигает 0,2%, а при сварке защищенной дугой — 0,03%. Азот является вредной примесью ста­ли, так как, повышая прочность и твердость, он вместе с этим значитель­но снижает пластичность и вяз­кость металла.

Водород в зоне сварки образу­ется во время дйссоциации 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, пластичность метал­ла снижается.

Таким образом, физико-химичес­кие процессы, происходящие в зоне дуги, в значительной степени опреде­ляют качество металла шва, а отсюда и качество сварного соединения.

Для получения сварного шва высо­кого качества необходимо принять ме­ры по защите расплавленного метал­ла сварочной ванны от воздейст­вия кислорода, азота и водорода. Сварочную ванну защищают, созда­вая газовую оболочку вокруг дуги и шлаковый слой над ванной расплав­ленного металла. Однако эти меры полностью не предохраняют от насы­щения металла кислородом и образо­вания оксидов. Поэтому необходимо проводить раскисление металла и уда­ление образовавшихся оксидов из сварочной ванны.

Жидкий металл сварочной ванны раскисляют, вводя в него элементы, имеющие большое сродство к кисло­роду: алюминий, титан, кремний, угле­род, марганец. Эти элементы вводят в сварочную ванну либо в виде элек­тродной проволоки (или присадочного металла), либо электродного покры­тия, либо флюса.

Алюминий как раскислитель при­меняется редко, так как он обра­зует тугоплавкие оксиды, придающие стали склонность к образованию тре­щин. Раскисление алюминием проте­кает по реакции 3FeO + 2Al =

= 3 Fe —[— AI2O3.

Титан является активным раскис - лителем и поэтому широко применяет­ся в различных электродных покрыти­ях. Раскисление протекает по реакции 2Ре0^)-Ті = 2Ре + Ті02. Кроме

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

Кремний — очень хороший раскис - литель и входит в электродные пок­рытия и флюсы в виде ферросилиция и кварцевого песка. Раскисление крем­нием происходит по реакции 2FeO + + Si = 2Fe + SiCb. Кроме того, про­текает реакция образования силика­тов SiCb - f - FeO = FeO • БЮг. Полу­ченные оксид БЮг и силикат ок­сида железа (II) не растворяются в железе и выходят в шлак.

Углерод образует с кислородом газообразный оксид углерода (СО), 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 рекомендует­ся вводить в сварочную ванну крем­ний в таком количестве, чтобы пода­вить раскисляющее действие углерода.

Марганец является наиболее рас­пространенным активным раскисли - телем. Он входит во многие электрод­ные покрытия и флюсы. Раскисление проходит по реакции FeO + Мп = = Fe -{- МпО. Оксид марганца взаи­модействует с оксидом кремния и об­разует нерастворяющийся в стали си­ликат оксида марганца по реакции МпО -+- БіОг = МпО • Si02. Кроме того, марганец способствует удалению серы из стали по реакции FeS + + Mn =MnS + Fe. Сернистый мар­ганец также не растворяется в стали и выходит в шлак. Марганец вхо­дит в, электродные покрытия и флю­сы в виде ферромарганца и мар­ганцевой руды.

Для восстановления первичного химического состава металла, а в не­которых случаях для улучшения меха­нических свойств металла 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. — входят в состав элек­тродных металлов, электродных пок­рытий, флюсов в чистом виде или в виде химических соединений. В элек­тродное покрытие или во флюс они входят, как правило, в виде фер­росплавов (ферросилиций, ферромар­ганец, феррохром, ферротитан, ферро­ванадий, ферромолибден и др.).