СВАРОЧНЫЕ РАБОТЫ

МЕТАЛЛУРГИЯ СВАРКИ

Процессы расплавления и затвердевания металла, в ходе которых его химический состав претерпевает изме­нения, а кристаллическая решетка — трансформацию, назы­ваются металлургическими. Сварка также относится к ним, но по сравнению с другими подобными процессами имеет ряд особенностей, поскольку:

— осуществляется при значительной температуре нагре­ва. Благодаря этому повышается скорость плавления всех составляющих процесса — основного и электродного ме­талла, электродного покрытия и флюса. Это сопровождается испарением, окислением и разбрызгиванием веществ, кото­рые принимают участие в протекающих в сварочной ванне химических реакциях. Кроме того, при высокой температуре дуги молекулы азота, водорода и кислорода частично диссо­циируются (так называется процесс, при котором молекулы расщепляются на более простые составные частицы — моле­кулы, атомы и др.). Данные элементы (газы), будучи в атомар­ном состоянии, становятся химически более активными, поэ­тому интенсифицируются процессы их окисления, насыщения металла азотом и поглощения водорода, что выделяет сварку среди других металлургических процессов. При высокой тем­пературе имеющиеся примеси выгорают, что в конечном ито­ге отражается на химическом составе свариваемого металла (он изменяется);

— течет с высокой скоростью. Это относится как к нагре­ванию, так и к охлаждению, что, естественно, сказывается на процессе кристаллизации и может приводить к появлению каких-либо дефектов (например, к формированию закалоч­ных структур, трещинообразованию и др.);

— отличается минимальными объемами нагретого и рас­плавленного металла. Объем сварочной ванны при ручной сварке составляет 0,5-1,5 см3 (при автоматической он боль­ше — 24-300 см3);

— характеризуется быстрым отводом тепла от расплав­ленного металла сварочной ванны в близлежащие участки основного металла, находящегося в твердом состоянии, что наряду с малыми объемами расплавленного металла при­водит к кратковременности химических реакций, которые протекают при высокой температуре процесса, следствием чего может быть их незавершенность, что, в свою очередь, отражается на структуре металла шва, который образует­ся по окончании сварки, и основного металла околошовной зоны (зоны термического влияния). Результатом этого может быть ослабление сварного шва.

К другим особенностям сварки относится то, что в зоне соединения происходит активное воздействие газов и шла­ков на расплавленный металл. Кроме того, может применять­ся присадочный материал, необходимый для формирования металла шва, причем не исключаются значительные разли­чия между химическим составом присадок и основного ме­талла.

Таким образом, при сварке за небольшой промежуток времени наблюдаются сложные процессы, во время которых разные химические элементы взаимодействуют друг с другом. Рассмотрим эти явления, чтобы лучше представлять себе, что стоит за сварочными процессами.

Наиболее важен процесс кристаллизации металла шва. Во время сварки вместе с перемещением дуги передвигается и сварочная ванна, а расплавленный металл, оставшийся в ее тылу, постепенно охлаждается и затвердевает. Так образует­ся сварной шов. Величина и протяженность сварочной ван­ны определяются различными факторами, в частности типом источника тепла, его мощностью, режимом сварки, характе­ристиками металла, подвергающегося сварке, и др. Первы­ми кристаллизуются частично сплавленные зерна основного металла, находящегося на границе расплавления, к решетке которых прикрепляются атомы кристаллизующейся фазы. По окончании затвердения в зоне расплавления формиру­ются зерна, которые состоят из основного металла и металла сварного шва, благодаря чему и обеспечивается соединение, т. е. непрерывная металлическая связь «основной металл — шов — основной металл».

Для процесса кристаллизации характерна высокая ско­рость, поскольку интенсивный нагрев сварочной дугой сме­няется таким же энергичным отводом тепла в свариваемое изделие. Металл сварного шва может за секунду остывать на десятки или даже сотни градусов.

Изучение кристаллизации сварного шва методами метал­лографии показывает, что в различных его частях формируют­ся кристаллы разного размера: в верхних — более крупные, а в нижних — более мелкие. Кристаллы в зависимости от свое­го месторасположения различаются и формой: в средней зоне они имеюттранскристаллитное строение, т. е. удлиненную фор­му, а в верхней — дендритное строение, т. е. ветвистую форму.

Кристаллизация как процесс протекает неравномерно, поскольку периодически изменяется теплообмен и т. д. В ре­зультате этого сварной шов неоднороден, в нем четко выде­ляется слоистая структура. Кристаллизационные слои, в свою очередь, состоят из трех участков:

— нижнего, содержащего незначительное количество серы, фосфора и углерода. Этот участок, отличающийся наи­более выраженным почернением при травлении, образуется в процессе кристаллизации тонкого слоя жидкого металла, прилегающего к оплавленной поверхности, в который на­званные элементы проникли из соседних участков основного металла;

— среднего, в котором содержится примерно такое же количество серы, фосфора и углерода, как и в металле шва. Он кристаллизуется из расплавленного металла исходного со­става, бывает самым широким и характеризуется достаточно однородным почернением при травлении;

— верхнего, содержащего наименьшее количество серы, углерода и фосфора и дающего ослабленное почернение при травлении.

Последующие кристаллизационные слои формируются таким же образом.

Не менее важное явление, которое сопровождает про­цесс сварки,— это диссоциация газов, при которой молеку­лы газа переходят в атомарное состояние (Н2 —> 2Н, 02 —> 20, N2 —> 2N). При этом активность атомов кислорода, водоро­да и азота значительно возрастает, они легче растворяются в расплавленном металле, увеличивая его хрупкость, умень­шая пластичность и т. д.

Разложению подвергаются молекулы и других веществ, например плавиковый шпат, имеющийся в составе электрод­ных покрытий, под воздействием высокой температуры рас­падается на фтористый кальций и свободный фтор (CaF2 —> CaF + F), причем последний при достижении температуры 6000° С активно диссоциируется. Наряду с минусами, кото­рые несет свободный фтор (в его присутствии условия горе­ния сварочной дуги изменяются в худшую сторону), есть и по­ложительный момент: он образует с водородом устойчивое соединение, т. е. риск образования газовых пор снижается, что улучшает свойства металла шва.

Для понимания особенностей сваривания металлов необходимо иметь представление об основных химических реакциях, которые протекают в зоне сварки. Сам процесс в упрощенной форме выглядит так: под воздействием высо­кой температуры электрической дуги кромки сваривающих­ся металлов, электродного металла и флюса расплавляются. В ходе этого формируется сварочная ванна, вокруг которой находится относительно холодный металл, причем его толщи­на может быть значительной, и которая покрыта расплавлен­ным шлаком. В результате при сварке наблюдается взаимо­действие между расплавленным металлом с одной стороны и шлаком, атмосферным воздухом и выделяющимися в про­цессе плавления газами — с другой. Начало этого процесса отмечается с того момента, как только появляются первые капли металла электрода, а его завершение знаменуется полным охлаждением металла шва.

Основными составляющими газовой среды, в которой протекает процесс сварки, являются С02, СО, Н20, Н2, 02, N2 и продукты их диссоциации — ОН, Н, N, О. Кроме того, здесь присутствуют пары металла и шлака.

Источники кислорода — окружающий воздух и электро­дное покрытие. При взаимодействии кислорода с расплавлен­ным металлом железо окисляется, образуя оксиды — закись железа FeO (II), окись железа Fe203 (III), закись-окись железа Fe304 (с содержанием 0222,27,30,06 и 27,64% соответствен­но), что иллюстрируется следующими реакциями:

2Fe + 02 «-► 2Fe0;

Fe + О <-*• FeO;

4Fe + 3 02 <-> 2Fe203;

3Fe + 2 02 <-> Fe204.

Из оксидов в железе растворяется лишь закись. Окись и закись-окись практически не растворимы, вследствие чего их влияние на свойства железа не отмечается, но при опре­деленных условиях они, присутствуя на неподготовленных кромках свариваемых металлов (в ржавчине, окалине), пре­вращаются в закись согласно реакциям:

Fe203 + Fe = 3 FeO;

Fe304 + Fe = 4FeO.

В этом случае закись железа растворяется в расплав­ленном металле и шлаке, что в сводных швах проявляется в виде пор (при охлаждении металла закись железа выпадает из раствора, но если скорость этого процесса высока, то за­кись сохраняется в растворе и формирует прослойки шлака между зернами металла), которые снижают качество сварки. Для уменьшения растворимости закиси (она зависит от со­держания углерода в стали и температуры: при повышении первого снижается, при возрастании второй — увеличивает­ся) в металле важно, чтобы ее концентрация в шлаке была низкой. Тогда закись будет переходить в шлак.

В зоне так называемой дуги имеются углекислый газ С02 и пары воды Н20, которые тоже принимают участие в окисле­нии железа, поскольку при их диссоциации выделяется актив­ный кислород:

Fe + С02 <-» FeO + СО;

Fe + Н20 <-> FeO + Н2.

Кроме того, металл окисляется под воздействием окис­лов кремния (Si02) и марганца (МпО).

Чтобы снизить концентрацию кислорода в расплавлен­ном металле сварочной ванны, прибегают к введению рас - кислителей, степень сродства которых к кислороду (степень активности окисления элемента кислородом) больше, чем у металла сварочной ванны.

Из воздуха в зону сварки поступает азот, который в зоне

сварочной дуги присутствует и в атомарном, и в молекуляр­

ном, и в ионизированном состояниях. Его растворимость в железе определяется температурой. В процессе охлажде­ния шва азот выделяется из раствора, вступает в реакцию с металлом шва, в результате чего образуются такие химиче­ские соединения, как нитриды железа, марганца и кремния (Fe2 N, Fe4 N, MnN, SiN). Если охлаждение проходит с большой скоростью, то азот, не успевая полностью выделиться, вместе с металлом входит в перенасыщенный твердый раствор, что, с одной стороны, резко повышает прочность шва, а с дру­гой — становится причиной постепенного старения металла шва и негативно сказывается на его механических свойствах (он утрачивает пластичность). Поэтому необходимо прини­мать меры по недопущению проникновения азота в зону сва­рочной ванны, что возможно, например, при осуществлении сварки в среде защитного газа.

При диссоциации водяных паров (они проникают в зону дуги из воздуха, флюса и др.), которая развивается в зоне свар­ки под воздействием высокой температуры, образуется еще один газ — водород. Он может быть и молекулярным, и ато­марным, причем последний хорошо растворяется в расплав­ленном металле, особенно при повышении температуры. Когда она поднимается до 2400° С, количество водорода составляет 43 см3 на 100 г металла (это максимальное значение).

По способности растворять водород металлы делятся на две группы:

— металлы, не вступающие в соединения с водородом (железо, никель, медь и др.);

— металлы, образующие при взаимодействии с водо­родом гидриды (ванадий, титан, редкоземельные элементы и др.).

Присутствующие в металле легирующие элементы по - разному воздействуют на растворимость водорода — могут либо повышать ее, либо понижать. К первым относятся титан и ниобий, а ко вторым — хром, алюминий, а также кремний и углерод.

При охлаждении металла атомарный кислород переходит в молекулярное состояние. Но, если кристаллизация проте­кает с высокой скоростью, водород не может полностью вы­делиться из металла, что негативно отражается на качестве шва, металл которого приобретает пористость, становится менее пластичным, усиливается трещинообразование и т. п. Чтобы минимизировать концентрацию водорода в сварочной ванне, вводят элементы, которые вступают в реакцию с ним и образуют нерастворимые соединения (например, фтори­стый водород), либо применяют окисление сварочной ванны.

Из всего сказанного следует вывод: физико-химические процессы, которые наблюдаются в зоне дуги, существенно влияют на качество металла сварного шва и, следовательно, всего соединения. Поэтому требуется принимать меры, защи­щающие расплавленный металл сварочной ванны от нежела­тельного воздействия на него перечисленных газов. Назван­ный способ, предполагающий осуществление сварки в среде защитных газов, а также создание шлаковой оболочки над ванной расплавленного металла, оказывает положительное влияние, но полностью защитить металл от проникновения кислорода и образования в нем соединений с ним это не мо­жет. Более эффективным оказывается раскисление металла и извлечение из сварочной ванны оксидов.

В качестве раскислителей металла сварочной ванны ис­пользуют алюминий, углерод, титан, кремний и марганец, по­скольку они имеют значительное сродство к кислороду. Дан­ные элементы вводят в расплавленный металл одним из трех способов — в виде:

— электродной проволоки или присадки;

— флюса;

— электродного покрытия.

Они взаимодействуют с окислами металла. Раскислители вводят в сварочную ванну в виде ферросплавов (ферротита­на, ферромарганца и др.), входящих в состав электродного покрытия или флюса. Расплавляясь, они практически цели­ком переходят в шлак.

Перечисленные выше раскислители ведут себя совер­шенно по-разному, поэтому одним из них отдают предпочте­ние чаще, а другие применяют реже. К последним относится алюминий, поскольку он образует тугоплавкие соединения с кислородом, которые придают стали нежелательные каче­ства, в частности склонность к трещинообразованию. Тем не менее при его использовании взаимодействие протекает в соответствии с реакцией:

3FeO + 2AI = 3Fe + Al203.

Очень активным раскислителем является титан, поэтому его применяют довольно часто. Он вводится в жидкий металл в составе электродных покрытий и взаимодействует с кисло­родом согласно реакции:

2FeO + Ті = 2Fe + Ті02.

Кроме того, титан уменьшает содержание азота в рас­плавленном металле, так как образует нитриды.

Хорошим раскислителем является кремний, который присутствует в электродных покрытиях и флюсах и взаимо­действует с кислородом по следующей реакции:

2 FeO + Si = 2Fe + Si02.

Одновременно с этим в жидком металле идет реакция об­разования силикатов (Si02 + FeO = FeO Si02), которые вместе с оксидом двухвалентного железа не растворяются в железе и переходят в шлак.

Раскисление углеродом протекает по реакции:

FeO + С = Fe + СО.

Оксид углерода — это газообразное соединение, в ста­ли оно не растворяется, выделяясь из нее в виде пузырьков. До начала кристаллизации это выглядит как кипение веще­ства, сопровождающееся разбрызгиванием металла, кото­рый при этом очищается от различных металлических вклю­чений. Кипение металла во время охлаждения — явление негативное, так как при высокой скорости кристаллизации часть оксида остается в металле шва, образуя поры. Чтобы предотвратить возникновение газовых пор, в сварочную ванну вводят кремний, причем его количество должно быть достаточным для подавления раскисляющего действия угле­рода.

Самый широко применяемый раскислитель — марганец, входящий в качестве компонента во флюсы и электродные покрытия и действующий по реакции:

FeO + Mn = Fe + МпО.

Как и оксид железа (FeO), оксид марганца вступает во взаимодействие с оксидом кремния, образуя не раство­ряющийся в стали силикат (MnO + Si02 = MnO Si02). Помимо этого, результатом реакции с сульфидом железа (FeS + Мп = MnS + Fe) является сернистый марганец, который, будучи не растворимым в стали, переходит в шлак и освобождает металл от примесей серы (она попадает в сварочную ванну из разных источников — основного металла, сварочной про­волоки, флюса и др.).