Раздел III. Металлургические основы сварки плавлением

Применение при сварке плавлением мощных высококонцентрирован-ных, высокотемпературных источников нагрева приводит к интенсивному расплавлению основного и присадочного металлов и часто к их значи-тельному перегреву выше температур плавления. Наличие жидкого и час-тично парообразного металла при большой относительной поверхности со-здает условия его интенсивного взаимодействия с окружающей средой (газовой и шлаковой фазами). В результате в ряде случаев такое взаимо-действие может быть вредным, отрицательно сказываться на свойствах металла шва и околошовной зоны, снижать качественные характе-ристики сварного соединения.

В связи с указанным, предметом металлургических основ сварки плав-лением является изучение закономерностей металлургических реакций. Основная задача состоит в обеспечении условий получения высокока-чественных, работоспособных сварных соединений.

Характеристика газовой фазы в зоне сварки плавлением

При сварке плавлением жидкий металл активно взаимодействует с ок-ружающей газовой средой. Протекающие при этом физико-химические процессы оказывают большое влияние на качество сварного соединения. К числу важнейших процессов относятся: диссоциация газов; растворение газов в жидком металле; различные химические реакции.

Диссоциация газов. Газовая фаза при сварке плавлением состоит в основном из двух- и трехатомных газов. Диссоциация этих газов сопро-вождается поглощением теплоты (т. е. реакции эндотермические). Этому способствуют высокие температуры в зоне сварки.

2О ;

2N 170,2

Из приведенных уравнений видно, что энергия, затрачиваемая на дис-социацию молекулы азота, наибольшая и поэтому при прочих равных условиях молекула азота наиболее прочна.

Диссоциация двухатомных газов в зоне сварки плавлением имеет боль-шое значение по следующим причинам:

– в атомарном состоянии газы приобретают высокую химическую ак-тивность и легко взаимодействуют с расплавленным металлом капель и сварочной ванны;

– параллельно с диссоциацией газов в зоне пониженных температур (вблизи сварочной ванны) протекает обратный процесс – образование молекул из атомов, сопровождающееся выделением теплоты (например, атомноводородная сварка).

Из трехатомных газов наиболее часто встречаются в газовой фазе при сварке плавлением пары воды и углекислый газ.

Водяной пар диссоциирует по уравнению

2 +

В зависимости от условий протекания процесса газовая среда может быть окислительной или восстановительной:

– если упругость диссоциации водяного пара больше упругости диссоци-ации окисла металла, то металла может окисляться за счет кислорода дис-социированного водяного пара

Ме +

– если упругость водяного пара меньше упругости диссоциации окисла металла, то металл будет восстанавливаться из окисла водородом диссо-циированного водяного пара

МеO +

С увеличением температуры степень диссоциации водяных паров увели-чивается и при температуре 5000 К приближается к 1.

Углекислый газ при высоких температурах диссоциирует весьма ак-тивно по реакции

Расчеты показывают, что при температуре более 4000 K углекислый газ полностью диссоциирован (температура столба дугового разряда около 6000К).

Помимо рассмотренных процессов диссоциации в газовой фазе воз-можны реакции между ее составляющими, например, окисление азота воз-духа, которое сопровождается поглощением теплоты

+

Образующаяся окись азота может существовать в не распавшемся виде в области низких температур. Поэтому она может служить не только окис-лителем, но и передатчиком азота расплавленному металлу.

Механизм насыщения расплавленного металла газами

Насыщение металла газами происходит как в каплях, так и в сварочной ванне. В каплях расплавленного электродного металла этот процесс про-текает более интенсивно по двум причинам:

– температура металла капель выше температуры металла сварочной ванны;

– у капель расплавленного электродного металла отношение площади поверхности к объему значительно больше, чем у сварочной ванны.

При этом, если газ находится в атомарном состоянии, то его раство-римость в металле подчиняется закону Генри (растворимость пропор-циональна давлению газа), а если в молекулярном состоянии, то закону Сивертса (растворимость пропорциональна корню квадратному из давле-ния газа).

Растворение газов в жидком металле протекает по стадиям:

– на первой стадии газы адсорбируются поверхностью металла;

– на второй стадии происходит взаимодействие адсорбированного газа с металлом в поверхностном слое, в результате чего образуются растворы и различные химические соединения;

– на третьей стадии продукты реакций отводятся вглубь ванны жидкого металла.

Влияние кислорода на свойства стали

Кислород растворяется в большинстве металлов и сплавов, в том числе и в железе, с которым образует три окисла: FeO – закись железа; Fe₂O₃ – окись железа; Fe₃O₄ – закись–окись железа.

Из всех окислов в железе растворяется лишь закись железа. Остальные окислы в железе не растворимы, могут присутствовать в нем в виде отде-льных включений (шлаковых) и легко разлагаются (диссоциируют) при высоких температурах.

Установлено, что при температуре плавления железа (1539 ^оС) пре-дельная растворимость кислорода в стали составляет 0,16%, а при комнатной температуре – тысячные доли процента. В связи с этим по гра-ницам зерен может выделяться избыточный кислород, который растворяя-ется в феррите, образуя оксоферрит (феррит – твердый раствор углерода в α– железе). Вне твердого раствора остается не успевшая раствориться за-кись железа.

Наличие легирующих элементов в стали влияет на растворимость кис-лорода. Наиболее сильно снижают растворимость кислорода в стали угле-род и кремний.

Как свободный кислород, так и закись железа реагируют с различными элементами, содержащимися в составе стали, особенно с кремнием и маар-ганцем, снижая их содержание.

Наличие кислорода в стали в любом виде вызывает:

– снижение пределов прочности, текучести, относительного удлинения, ударной вязкости, стойкости против коррозии;

–появление склонности к старению, хладноломкости и красноломкости;

– усиленный рост зерна при нагреве;

– понижение магнитной проницаемости и повышение электрического сопротивления.

Влияние азота на свойства стали

Атомарный азот растворяется преимущественно в тех металлах, с кото-рыми может образовать химические соединения – нитриды. В сталях азот образует нитриды как с железом, так и с большинством примесей. С желе-зом азот образует нитриды двух типов – Fe₂N и Fe₄N.

Предельная растворимость азота в стали при комнатной температуре составляет 0,001%. При большем содержании избыточный азот выделяется из твердого раствора по границам зерен в виде нитрида Fe₄N. Нитриды железа образуются в области пониженных температур (в интервале 700…500 ^оС). При более высоких температурах они диссоциируют.

В железе азот может находиться в твердом растворе или в виде ни-тридов (отдельных выключений). В процессе сварки за счет перегрева и повышенной скорости охлаждения металла сварочной ванны общее содер-жание азота в металле может быть достаточно высоким, так как с повышением температуры растворимость азота в железе резко возрастает, особенно в моменты полиморфных превращений и при переходе железа из твердого раствора в жидкое состояние.

С легирующими элементами азот также образует нитриды, часто более стойкие, чем нитриды железа. Особенно стойкими в области высоких тем-ператур являются нитриды кремния и титана.

Содержащийся в металле азот весьма сильно влияет на его свойства:

– увеличиваются пределы прочности и текучести;

– увеличивается склонность к закалке;

– снижаются пластические свойства, особенно резко уменьшается удар-ная вязкость;

– появляется склонность к старению, хладно- и синеломкости;

– понижается магнитная проницаемость;

– увеличивается электрическое сопротивление.

Таким образом, в общем случае азот является нежелательной примесью в металле сварного шва, особенно, если сварные соединения подвергаются воздействию динамических нагрузок.

Однако при сварке высоколегированных сталей аустенитного струк-турного класса азот повышает устойчивость аустенита и выступает как ле-гирующий элемент, способный заменить некоторое количество никеля. В таких сталях азот устраняет явление транскристаллизации и улучшает ме-ханические свойства. Азот может вызвать эффект упрочнения чугуна.

Избавиться от азота, попавшего в металл шва, невозможно, так как в виду кратковременности процесса сварки, существующие в большой ме-таллургии способы для этой цели непригодны. Однако предупреждать на-сыщение азотом металла можно. Для этого необходимо снижать парци-альное давление азота в газовой среде, окружающей электрод и сварочную ванну. Можно также применять защитные газы, например, СО₂, вводить в состав электродных покрытий газообразующие элементы; осуществлять процессы в вакууме, в контролируемой атмосфере и т. д.

Степень насыщенности металла азотом и кислородом сильно зависит от длины сварочной дуги.

Влияние водорода на свойства металлов и сплавов

Водород на металлы и сплавы может оказывать двоякое влияние. С од-ной стороны, водород защищает металлы и сплавы от насыщения их кис-лородом и азотом, предупреждает окисление, восстанавливает при опре-деленных условиях элементы (в частности металлы) из окислов, препят-ствует образованию нитридов. С другой стороны, водород растворяется в металлах и сплавах и становится причиной существенных дефектов в ме-талле сварного шва – пористости и трещин.

Атомарный водород растворяется как в жидком, так и в твердом железе. Причем растворимость его с повышением температуры увеличивается и из-меняется скачкообразно в момент полиморфных превращений железа.

Максимальная растворимость водорода в стали наблюдается при тем-пературе 2400 ^оС, т. е. в процессе переноса капель металла с электрода в сварочную ванну. Степень насыщенности жидкого металла водородом за-висит от наличия в газовой среде элементов, способных связывать водород в химические соединения, нерастворимые в жидком металле и тем самым снижающие парциальное давление водорода в газовой среде. Так, напри-мер, образование в газовой среде соединений ОН и HF, нерастворимых в жидком металле, снижает насыщенность металла водородом. Насыщение металла или сплава водородом отрицательно сказывается на их свойствах.

С понижением температуры растворимость водорода в стали падает. Например, при температуре плавления в 100 г с тали может раствориться до 30 см³ водорода, а при комнатной температуре – всего 5…7 см³.

При достаточно быстром охлаждении металла сварочной ванны не весь растворенный водород успевает выделиться. Оставшийся в металле ато-марный водород задерживается в ветвях зарождающихся и растущих ден-дритов, у поверхности кристаллов, у мест расположения посторонних включений, а также в местах дефектов кристаллической структуры. В этих местах атомы водорода воссоединяются в молекулы, а парциальное дав-ление атомарного водорода падает, в результате чего его диффузия про-должается. Непрерывно образующийся молекулярный водород создает зна-чительное давление. В результате в металле возникает объемное напря-женное состояние, приводящее к снижению пластичности, а иногда и к хрупкому разрушению. Образование трещин на сталях под действием во-дорода называется «водородной болезнью».

Наличием водорода объясняется появление трещин в меди ее сплавах. Суть явления заключается в следующем. В меди и ее сплавах всегда име-ется некоторое количество закиси меди Cu₂O. При нагревании в водород-ной среде водород диффундирует в медь или ее сплавы и вступает в реакцию с Cu₂O

Cu₂O + Н₂ = 2Cu + H₂O .

Водяные пары нерастворимы в меди и ее сплавах. Поскольку металл сварочной ванны закристаллизовался с поверхности, они не могут выйти на поверхность, скапливаются по границам зерен, образуя поры и создавая внутренние напряжения. В результате могут образоваться трещины. Яв-ление пористости на меди и медных сплавах, вызванное водородом, назы-вается «водородной чумой».

Влияние окиси углерода на свойства стали

Окись углерода (СО) в тех или иных количествах всегда имеется в газо-вой среде. Но, будучи нерастворимой в жидком металле, непосредствен-ной опасности не представляет. Наоборот, она может создавать защитную атмосферу у поверхности сварочной ванны (жидкого металла).

Иную роль играет окись углерода, образующаяся в самом металле при взаимодействии углерода с окислами. В этом отношении наиболее харак-терна реакция между углеродом и закисью железа

FeO + C Fe + CO .

Образующаяся окись углерода может вызывать «кипение» метала сва-рочной ванны. Если реакция образования СО продолжается и после кри-сталлизации металла в поверхностном слое сварочной ванны, то в металле сварного шва могут появиться поры и трещины.

Возможный состав газовой среды при сварке плавлением и ожидаемые реакции рассмотрены в общем виде, без учета возможности взаимодей-ствия составляющих газовой среды между собой. Однако даже и при таком упрощении следует сделать вывод о необходимости защиты жидкого ме-талла от контакта с воздухом и тщательной его металлургической обра-ботки с целью получения качественного работоспособного сварного соеди-нения.

Характеристика шлаковой фазы в зоне сварки плавлением

Шлаки и их назначение при сварке

Шлаки – продукты переплавки флюсов и представляют собой сплавы или смеси окислов и солей. Поэтому по химическому составу современные щлаковые системы могут быть:

– оксидного типа;

– солевого типа;

– оксидно-солевого типа.

Шлаки имеют пониженную по сравнению с жидким металлом темпе-ратуру плавления и плотность, поэтому расплавляются раньше сваривае-мого металла и располагаются в основном на поверхности металлической ванны.

Сварочные шлаки осуществляют следующие функции:

– защищают жидкий металл от непосредственного контакта с воздухом;

– способствуют проведению процессов раскисления, легирования, ра-финирования и модифицирования металла сварного шва;

– способствуют улучшению теплового режима сварки путем снижения скорости охлаждения;

– поддерживают устойчивость дугового разряда;

– обеспечивают правильное формирование сварного шва (обеспечивают плавный переход от наплавленного металла к основному металлу).

Выполнение всех указанных функций возможно только при опреде-ленных свойствах сварочных шлаков.

Свойства шлаков

Химические свойства сварочных шлаков в значительной мере опреде-ляются степенью кислотности или обратной ей величиной – степенью основности.

Степень кислотности шлака «n» – это отношение суммы кислотных окислов к сумме основных окислов в шлаке данного состава

.

Кислотные окислы сварочных шлаков: SiO₂, TiO₂, B₂O₃, P₂O₅ и другие.

Основные окислы сварочных шлаков: FeO, MnO, CaO, BaO, MgO, NiO, Na₂O, K₂O и другие.

Кроме того, в сварочных шлаках могут присутствовать и амфотерные окислы, ведущие себя с сильными кислотами как основные окислы, а с сильными основаниями – как кислотные окислы. Например, Fe₂O₃, ₂O₃, Cr₂O₃, V₂O₅ и другие.

С помощью показателя степени кислотности шлака можно оценить его свойства и ожидаемое поведение при сварке. Если n1, шлак кислый; если

n 1, шлак основной; если n = 1, шлак нейтральный (но это не значит, что под таким шлаком реакции не протекают).

При анализе металлургических процессов при сварке весьма важно знать, в какой форме находятся в данном шлаке различные окислы при кон-кретных температурах (в свободном состоянии, в виде комплексных соединений и т. п.). Расчеты и опыты показали, что с понижением темпе-ратуры усиливается процесс образования комплексных соединений, и кон-центрация свободных окислов в шлаке уменьшается, т. е. химические реакции затухают.

Химические свойства сварочных шлаков нельзя рассматривать в отрыве от их физических свойств, которые характеризуются следующими факто-рами:

– температурой плавления и размягчения шлаков;

– вязкостью шлаков в жидком состоянии и ее изменением с изменением температуры;

- газопроницаемостью шлаков;

– свойствами, определяющими отделимость шлаковой корки от поверхности металла сварного шва в твердом состоянии.

Активность жидких шлаков при их взаимодействии с металлом зависит от вязкости и характера ее изменения с изменением температуры.

Ранее отмечалось (см. тему «Вязкость жидкости»), что шлаки в отличие от металлов и солей не имеют конкретной температуры плавления и за-твердевания. Для них характерно наличие некоторого интервала между тем-пературами размягчения и полного расплавления. Этот интервал у кислых шлаков обычно больше, чем у основных шлаков. Кроме того, температура плавления (затвердевания) шлака должна быть ниже температуры плав-ления (затвердевания) металла.

От вязкости шлака зависит его газопроницаемость. При низкой газопро-ницаемости шлака на поверхности металла создается повышенное давление газов, что препятствует дальнейшему их выделению. В этом случае в метал-ле сварного шва может образоваться пористость, а на поверхности шва – мелкие вмятины, побитость и т. п. Густые шлаки обладают плохой, а маловязкие подвижные шлаки – высокой газопроницаемостью.

В зависимости от температурного интервала затвердевания сварочные шлаки могут быть «короткими» и «длинными».

Короткие шлаки – это основные шлаки. Они быстро затвердевают с по-верхности, но долгое время остаются жидкими в зоне соприкосновения с кристаллизующимся металлом и обеспечивают как свободный выход газов из металла, так и хорошее формирование внешней части сварного шва и хорошую отделимость шлаковой корки от поверхности металла.

Длинные шлаки – это обычно кислые, силикатные шлаки. Чем выше содержание в шлаке SiO₂, тем выше его вязкость. Длинные, густые, медлен-но затвердевающие шлаки менее активны по отношению к металлу и отли-чаются худшими формирующими свойствами. Хорошими разжижителями шлаков являются плавиковый шпат CaF₂ (он также носит названия «флю-орит», «фтористый кальций», «плавень»). Уменьшают вязкость шлаков и такие окислы, как TiO₂ (рутил, который не только уменьшает вязкость шлака, но и сохраняет его кислотность), К₂О, Na₂O и другие, а также хлориды (см. тему «Нейтральные соли в сварочных шлаках»).

Таким образом, с технологической и металлургической точек зрения, для сварки более желательны маловязкие, легкоподвижные, быстро твер-деющие шлаки. Этому условию наиболее полно удовлетворяют короткие основные шлаки.

Характеристика простых окислов и солей, входящих в состав

шлаковой фазы

Кислотные окислы

SiO₂ – двуокись кремния, диоксид кремния, кремнезем. Типичный силь-ный кислотный окисел, который легко вступает в реакцию с основными окислами, образуя комплексные соединения – силикаты. Повышает вяз-кость и способствует образованию густых, вязких, длинных шлаков. T_пл = 1710 ⁰С, поэтому в чистом виде в сварочной ванне может присутствовать в твердом состоянии (в виде шлаковых включений). Если связан в ком-плексные соединения, то в сварочной ванне находится в жидком состоянии и легко удаляется в шлак, так как температура плавления комплексного соединения ниже температуры плавления стали.

TiO₂ – диоксид титана, рутил. Мене активный, чем кремнезем. С основ-ными окислами образует легкоплавкие подвижные комплексные соедине-ния – титанаты. Способствует образованию шлака с высокой газопрони-цаемостью. T_пл = 1640 ⁰С, поэтому в чистом виде в сварочной ванне может присутствовать в твердом состоянии (в виде шлаковых включений). Способность переходить TiO₂ в низшие окислы делает его окислителем.

B₂O₃ – борный ангидрид. С основными окислами образует легкоплавкие комплексные соединения – бораты. Во флюсах для сварки и пайки приме-няется в чистом виде (T_пл = 557 ⁰С) или в виде буры (тетрабората натрия) Na₂B₄O₇ (температура безводной буры 878 ⁰С).

Основные окислы

FeO – закись железа; относительно слабый основной окисел, легко обра-зующий с кислотными окислами комплексные соединения (силикаты, титанаты, бораты и др.). T_пл = 1370 ⁰С. Хорошо растворяется в металле и хуже в любой шлаковой системе. Вступает в обменные реакции с элемен-тами, у которых сродство к кислороду больше, чем у железа.

MnO – слабый основной окисел. Может быть связан кислотными окислами в комплексные соединения. T_пл = 1600 ⁰С, поэтому в чистом виде к концу охлаждения сварочной ванны может находиться в твердом состоянии (в виде шлаковых включений). MnO легко вступает в реакцию с серой. Образующийся сульфид плохо растворим в металле и хорошо раст-ворим в шлаке. В этом основная ценность MnO.

CaO – сильный основной окисел, значительно активнее, чем FeO и MnO, поэтому легко вытесняет их из различных соединений. T_пл = 2600 ⁰С, по-этому повышает вязкость шлака. Очень прочен, диссоциирует слабо, в ме-талле не растворяется, но сравнительно легко образует комплексные соеди-нения. Весьма активно связывает серу и фосфор в соединения, которые хорошо растворяются в шлаке и не растворяются в металле. В этом особая ценность CaO.

Амфотерные окислы

Fe₂O₃ – закись железа, гематит. Обладает сильными окислительными свойствами, поэтому присутствие в сварочных шлаках нежелательно.

Al₂O₃ – оксид алюминия, природный безводный глинозем, корунд. Образует комплексные соединения, как с основными, так и с кислотными окислами. T_пл = 2050 ⁰С, поэтому повышает вязкость шлака. Совместно с SiO₂ может дополнительно присоединять основные окислы, образуя новый класс соединений – алюмосиликаты. Такими соединениями являются полевые шпаты, которые щироко применяются в сварочном производстве при изготовлении флюсов и электродных покрытий.

Несмотря на малую плотность, Al₂O₃ плохо всплывает на поверхность сварочной ванны, так как образует сильно разветвленные кристаллы. Обладая высокой твердостью, вызывает хрупкость металлов и сплавов.

Нейтральные соли

Нейтральные соли являются устойчивыми химическими соединениями с малой степенью реагирования с металлами и сплавами, на поверхности которых они находятся. В сварочном производстве применяются в силу тех обстоятельств, что в них хорошо растворяются окислы, например Al₂O_3, которые другим путем удалить из сварочной ванны либо очень трудно, либо вообще невозможно. Нейтральными солями являются хлористые и фтористые соединения щелочных и щелочноземельных элементов: CaF₂, KF, NaF, LiF, BaF₂, KCl, NaCl и другие.

Взаимодействие между расплавленным металлом,

газовой средой и шлаком

Одна из важнейших функций сварочных флюсов (шлаков) и электрод-ных покрытий – металлургическая обработка металла сварного шва, т. е. его раскисление, легирование, рафинирование и модифицирование.

В связи с активным развитием окислительных процессов при различных способах сварки плавлением практически всегда возникает необходимость раскисления металла сварочной ванны. Однако, чтобы получить наплав-ленный металл требуемого химического состава и требуемых механических характеристик, одной операции раскисления недостаточно, так как металл теряет весьма полезные примеси в результате не только прямого окисления, но и испарения под действием высоких температур. Поэтому для компен-сации потерь химических элементов, а также для введения в наплавленный металл специальных добавок с целью повышения его качества и свойств, параллельно с раскислением проводят операцию легирования.

Кроме того, обязательно нужно очищать наплавленный металл от вред-ных примесей, к которым, в первую очередь, относятся сульфиды, вызы-вающие красноломкость металла сварного шва, и фосфиды, вызывающие хладноломкость металла сварного шва. Эта металлургическая операция на-зывается рафинированием. Для удаления серы из металла шва используется марганец, а для удаления фосфорных соединений – марганец и кальций, у которых химическое сродство к сере и фосфору больше, чем у железа. Об-разующиеся химические соединения хорошо растворимы в шлаке и нераст-воримы в металле.

Для повышения механических характеристик наплавленного металла сварного шва необходимо обеспечить условия образования мелкозернистой структуры. Эта металлургическая операция называется модифицированием. Для ее осуществления используют элементы-модификаторы, к которым от-носятся титан, ниобий, ванадий и другие элементы.

Таким образом, взаимодействие газовой и шлаковой фаз с металлом сварного шва представляет собой сложный комплекс физико-химических процессов, обусловливающий в конечном итоге качество и свойства метал-ла сварного соединения.

Окисление металла при сварке

Окисление металла при сварке может происходить в результате его взаимодействия с газовой средой, шлаком, окалиной, ржавчиной.

Процессы окисления металла при сварке неизбежны, поэтому борьба за уменьшение содержания кислорода в металле шва является первостепенной задачей сварочной металлургии.

Подробное рассмотрение окислительных процессов при сварке позво-ляет выделить два основных вида окисления: прямое окисление и окисле-ние на основе обменных реакций.

Прямое окисление в общем виде может быть представлено реакцией

Me + 1/2O₂  MeO.

Поставщиками свободного кислорода в зону сварки могут быть:

– воздушная атмосфера 2Fe + O₂  2FeO;

– углекислый газ (СО₂) Fe + CO₂  FeO + CO;

– пары воды (Н₂О) Fe + H₂O  FeO + H₂;

– карбонаты (например, CaCO₃) CaCO₃  CaO +CO₂;

Fe + CO₂  FeO + CO;

– высшие окислы железа, диссоциирующие и выделяющие свободный кислород при нагреве Fe₂O₃ + Fe  3FeO;

Fe₃O₄ + Fe  4FeO.

Окисление на основе обменных реакций представляется в общем виде следующим уравнением

Me_I + Me_IIO  Me_IO + Me_II,

где Me_I, Me_II – различные металлы.

Примерами окислительно-восстановительных процессов на границе «металл – шлак» могут служить реакции

(MnO) + Fe  Mn + FeO,

(SiO₂) + 2Fe  Si +2FeO.

Накопление кислорода в металле, связанного с ним в химические со-единения, приводит к ухудшению механических свойств металла сварного шва и снижению работоспособности сварного соединения. Поэтому с це-лью получения высококачественных сварных соединений необходимо уда-лять из металла шва кислород, т. е. осуществлять его раскисление.

Под раскислением следует понимать не только восстановление металлов из окислов (например, железа), но и удаление кислорода в любых формах.

В практике сварочного производства применяют следующие виды рас-кисления: химическое раскисление, диффузионное раскисление, раскисле-ние осаждением. Раскисление – первая металлургическая задача.

Химическое раскисление

Рассмотренные ранее обменные реакции позволяют сделать вывод, что по отношению к металлу такие реакции могут иметь не только окислитель-ный, но и восстановительный характер. С этой целью применяют элементы, обладающие большим сродством к кислороду, чем металл окисла, в резуль-тате чего при определенных условиях способны энергично связывать кис-лород, освобождая требуемый металл из окисла. Такие элементы называ-ются раскислителями. Продуктами химического раскисления могут быть конденсированные или газообразные окислы.

Раскисление с получением конденсированных продуктов реакции

Образующиеся в результате реакций конденсированные окислы должны быть нерастворимыми в металле и хорошо всплывать на поверхность сва-рочной ванны (в шлак). К числу таких элементов-раскислителей относятся кремний, марганец, титан, алюминий и некоторые другие.

Поскольку при сварке сталей наибольшую опасность вызывает раство-римая в стали закись железа FeO, рассмотрим особенности и результаты взаимодействия элементов-раскислителей с FeO.

1. Кремний – Si, T_пл = 1440 ^оС.

2FeO + Si  SiO₂ +2Fe.

Образующийся кислотный окисел SiO₂ вступает в реакции с основными окислами, в том числе с FeO, образуя комплексные соединения (силикаты).

Силикат железа FeOSiO₂ всплывает на поверхность сварочной ванны и переходит в шлак, вследствие чего раскисляющая способность кремния воз-растает. Однако, в виду того, что окислы кремния увеличивают кислотность шлака, а вместе с тем и его вязкость, ухудшают газопроницаемость коли-чество кремния, вводимого в сварочную ванну, ограничивают или полно-стью, а иногда частично, заменяют титаном.

2. Марганец – Mn, T_пл = 1244 ^оC.

FeO + Mn  MnO + Fe.

Основной окисел MnO снижает концентрацию FeO в шлаке, вслед-ствие чего создаются условия более полного перехода новых порций FeO из металла в шлак. Однако при высоких температурах влияние кремния сказывается сильнее, поскольку его активность при высоких температурах больше, чем у марганца.

3. Титан – Ti, T_пл = 1660 ^оC. Относится к числу более сильных элементов-раскислителей, чем кремний и марганец.

2FeO + Ti  TiO₂ + 2Fe.

Образующийся кислотный окисел TiO₂ нерастворим в металле, с основными окислами, например FeO, образует комплексные соединения – титанаты, например FeOTiO₂, которые интенсивно переходят в шлак. С увеличением концентрации титана в стали содержание в ней закиси железа уменьшается.

Кроме того, титан активно реагирует с азотом, образуя прочные ни-триды, нерастворимые в металле и растворимые в шлаке. Вместе с тем, титан – сильный модификатор, т. е. элемент, способствующий измель-чению зерна и повышению прочностных характеристик металла.

4. Алюминий – Al, T_пл = 660 ^оC. Наиболее сильный раскислитель этой группы.

3FeO + 2 Al  Al₂O₃.

Образующийся амфотерный окисел Al₂O₃ с трудом всплывает на поверхность сварочной ванны и частично остается в сварном шве в виде неметаллических включений. Это обстоятельство является одной из главных причин незначительного применения алюминия как раскис-лителя при сварке сталей. Как и титан, алюминий с азотом образует нитриды более стойкие, чем нитриды железа.

Раскисление с получением газообразных продуктов реакции

1. Раскисление углеродом. Этот процесс может протекать в два этапа

FeO+ C Fe + CO,

FeO + CO  Fe + CO₂.

При этом одновременно присутствуют железо, его окисел, углерод и его окислы. Исследования металлургических процессов сварки плав-лением показали, что с увеличением содержания углерода в металле в нем интенсивно уменьшается концентрация закиси железа. Кроме того, с ростом температуры химическая активность углерода повышается и раскисление протекает более полно. Однако, несмотря на хорошую рас-кисляющую способность, углерод как раскислитель находит ограни-ченное применение в силу следующих обстоятельств:

– возможно повышение содержания углерода в металле сварного шва, что не всегда допустимо;

– возможно образование пор в металле сварного шва, особенно на участках, кристаллизующихся в последнюю очередь и сильно насы-щенных углеродом. Причина этого явления следующая: в момент кри-сталлизации в первую очередь кристаллизуется чистый металл, а примеси, в частности FeO, ликвируют в маточный раствор. Это приво-дит к возобновлению реакции с бурным образованием CO, которая не успевает выйти из металла сварочной ванны и остается в нем, образуя поры.

FeO + C  Fe + CO.

Поэтому, чтобы избежать пористости металла сварного шва, необхо-димо, чтобы в момент кристаллизации металла было возможно меньше свободного углерода, а также связывать FeO в комплексные соединения, снижая активную концентрацию закиси железа.

2. Раскисление водородом. Процесс представляется уравнением

FeO + H₂  Fe + H₂O.

Недостатком водорода, как раскислителя, является его высокая раст-воримость в металлах и сплавах, что может привести к пористости и образованию трещин (см. тему «Влияние водорода на свойства металлов и сплавов»).

Говоря об эффективности химического раскисления, следует иметь в виду, что в силу относительной кратковременности процессов равнове-сие реакций не достигается и содержание закиси железа в металле сва-рочной ванны может оказаться весьма высоким. Поэтому в практике сварочного производства для более полного раскисления металла сва-рочной ванны применяют одновременно несколько раскислителей.

Диффузионное раскисление

Диффузионное раскисление основано на частичном переходе закиси железа из жидкого металла сварочной ванны в шлак, так как ее рас-пределение между металлом и шлаком подчиняется закону распреде-ления Нернста

.

Для развития процесса диффузионного раскисления важно, чтобы кон-центрация свободной закиси железа в шлаке уменьшалась. Тогда новые порции FeO будут переходить из металла в шлак. Это может быть ДОС-тигнуто следующими путями:

– проведением раскислительных обменных реакций в самом шлаке;

– связыванием закиси железа в комплексные соединения кислотными окислами, в результате чего активная концентрация FeO в шлаке снижается;

– разбавлением шлаков нейтральными в химическом отношении добавками, например, нейтральными солями.

При диффузионном раскислении закись железа удаляется из металла сва-рочной ванны в шлак путем диффузии, поэтому ванна жидкого металла спокойна (не бурлит), а все химические процессы протекают на границе «металл – шлак» и в самом шлаке. Однако процесс раскисления протекает медленно и общий эффект от раскисления оказывается невысоким.

Большое значение диффузионное раскисление приобретает на стадиях формирования капли на конце электрода и ее переносе с электрода в сва-рочную ванну. Этому способствуют достаточно высокие температуры, энергичное перемешивание металла капли и непрерывный контакт свежих порций металла и шлака. Вследствие указанных причин и особенностей процессов диффузионное раскисление при сварке существенной роли не играет.

Раскисление осаждением

Раскисление осаждением является наиболее совершенным видом раскис-лительных процессов, поскольку протекает при контакте металлической и шлаковой фаз. Продуктами реакций являются комплексные соединения, легко удаляемые из металла сварочной ванны в шлак. Характер раскисли-тельных процессов зависит от кислотности шлака.

Рассмотрим процесс раскисления кислыми шлаками на основе окисла кремния SiO₂. В таких шлаках протекает реакция образования силиката же-леза, нерастворимого в металле сварочной ванны

(FeO) + (SiO₂)  (FeOSiO₂).

Образование силиката железа уменьшает активную концентрацию заки-си железа в шлаке, что может вызвать дополнительный ее переходу из ме-талла в шлак, т. е. можно сделать ошибочный вывод о необходимости повы-шения концентрации SiO₂ в кислых шлаках. Однако следует помнить, что повышение содержания SiO₂ в шлаке приводит к ухудшению физических, и следовательно, технологических свойств щлака: он становится густым, длинным, с плохой газопроницаемостью, его активность резко падает по мере накопления в шлаке силиката железа. В силу указанных причин для сохранения высокой способности раскисления кислых шлаков на основе окисла кремния целесообразно:

– полностью или частично заменять в шлаке SiO₂ двуокисью титана (рутилом) TiO₂, что позволит сохранить нужную степень кислотности шлака, сделает его более жидкотекучим и коротким, придаст ему нужную химическую активность;

– попутно вносить в такие шлаки элементы-раскислители, образующие основные окислы; роль раскислителей в данном случае сводится к извле-чению железа из силиката и уменьшению в шлаке комплексного соеди-нения (FeOSiO₂)

(FeOSiO₂) + (Mn)  (MnOSiO₂) + Fe.

Следует отметить, что введение в шлак Mn и других элементов–раскис-лителей уменьшает кислотность шлака.

Далее рассмотрим особенность процесса раскисления металла сварочной ванны основными шлаками, в которых наиболее сильным окислом является CaO. Такие шлаки не могут извлекать из металла сварочной ванны FeO, поскольку имеющиеся в них в незначительных количествах кислотные окислы SiO₂ или TiO₂ будут связываться в комплексные соединения с основными окислами, например,

(CaO) + (SiO₂)  (CaOSiO₂).

Для раскисления металла сварочной ванны с сохранением полезных легирующих элементов в основные шлаки вводят специальные добавки-раскислители. Эти раскислители ведут себя так же, как и при обычном химическом раскислении: продукты реакции переходят в шлак, в результате чего он обогащается окислами и теряет свою раскисляющую способность. Для ее повышения необходимо:

– ограничивать концентрацию вводимого элемента-раскислителя;

– вводить одновременно несколько раскислителей, что позволит со-хранить высокую эффективность процесса раскисления;

– разбавлять шлаки специальными добавками, которые уменьшают в шлаках концентрацию окислов раскислителей, например, вводить в шлак нейтральные соли.

Благодаря своим физическим свойствам, основные шлаки обеспечивают лучшее раскислением металла сварочной ванны, чем кислые шлаки, и по-этому находят более широкое применение.

Легирование наплавленного металла

Второй металлургической задачей является легирование наплавленного металла сварного шва, которое осуществляется одновременно с раскис-лением. Цель легирования металла сварного шва заключается в воспол-нении потерь полезных (легирующих) элементов вследствие их частичного выгорания (окисления) и испарения.

Легирование наплавленного металла осуществляется с соблюдением двух важных требований:

– в качестве легирующих элементов следует применять такие элементы, сродство к кислороду которых меньше, чем у элементов-раскислителей;

– наряду с легирующими элементами в зону плавления целесообразно вводить их окислы, что будет способствовать сохранению легирующих элементов.

В практике сварочной металлургии легирование наплавленного металла сварного шва осуществляется как через металлическую фазу, так и через шлаковую фазу. Легирование через металлическую фазу осуществляется введением легирующего элемента в электродный стержень или присадоч-ную проволоку (ленту, стержень, полосу и т. п.), а также за счет проплавления легированного основного металла и перехода соответствую-щих элементов в сварочную ванну.

Легирование через шлаковую фазу предполагает введение легирующих элементов в электродное покрытие или сварочный флюс.

С точки зрения эффективности легирования первый путь (легирование через металлическую фазу) более целесообразен, так как потери легиру-ющего элемента незначительны, а коэффициент перехода элемента в металл сварного шва достаточно высок. Процесс легирования происходит в резуль-тате прямого растворения легирующего элемента в металл шва.

При легировании через шлаковую фазу, легирование осуществляется на основе обменных реакций, поскольку в электродных покрытиях и флюсах легирующие элементы могут находиться в виде окислов или ферросплавов. Восстановленные легирующие элементы растворяются в металле свароч-ной ванны. В качестве примеров обменных реакций рассмотрим крем-невосстановительные и марганцевосстановительные процессы, которые особенно широко применяются при сварке под плавленными флюсами.

Для протекания восстановительных процессов необходимо, чтобы флюс содержал большое количество окислов кремния и марганца. При высоких температурах процессы протекают по реакциям.

+ 2[Fe] ® 2 + [Si].

Константа равновесия реакции по кремнию

.

Равновесную концентрацию кремния в металле сварного шва можно оп-ределить из соотношения

Si

Аналогично запишем реакцию с участием марганца

(MnO) + [Fe] ® (FeO) + [Mn].

Константа равновесия реакции по кремнию

.

Равновесную концентрацию марганца в металле сварного шва можно оп-ределить из соотношения

Расчеты и опыты показали, что с повышением температуры от 1500 до 1700 ^оC константы равновесия по кремнию и марганцу возрастают: K_Si от 2,25 при 1500 ^оC до 27,40 при1700 ^оC; K_Mn от 0,049 при 1500 ^оC до 0,141 при 1700 ^оC.

Следовательно, реакции смещаются в сторону образования свободных кремния и марганца, которые плохо растворяются в шлаке и хорошо раст-воряются в стали. Поэтому они будут переходить в сварочную ванну и иг-рать роль легирующих элементов.

При охлаждении сварочной ванны процессы протекают в обратном на-правлении, т. е. кремний и марганец, находящиеся в металле сварочной ванны, взаимодействуют с закисью железа и равновесия смещаются в сто-рону образования свободного железа и окислов кремния и марганца. Это, естественно, уменьшает концентрации кремния и марганца в металле свар-ного шва, но при определенных условиях их концентрации могут быть до-статочно высокими, и они будут играть роль легирующих элементов.

Многочисленные исследования показали, что лучшие результаты полу-чаются при совместном действии кремния и марганца. Однако следует учи-тывать то обстоятельство, что кремний проявляет наибольшую активность при высоких температурах, в результате чего тормозится выгорание сво-бодного углерода и, как следствие, возможно образование пористости ме-талла сварного шва в период его кристаллизации. С другой стороны, крем-ний, обладающий достаточно большим сродством к кислороду, может окисляться еще в электродных покрытиях или сварочных флюсах и поэтому добиться его эффективного перехода в металл очень сложно.

Лучшие результаты получаются при применении марганца, так как маар-ганец, во-первых, обладает меньшим сродством к кислороду и, во-вторых, его наибольшая активность проявляется при температурах, когда свобод-ный углерод уже выгорел, и это способствует получению беспористых швов.

При сварке стали в металле всегда присутствуют одновременно и крем-ний, и марганец. Поэтому в сварочной ванне одновременно будут протекать и кремневосстановительные, и марганцевосстановительные процессы, которые влияют друг на друга. Объединив эти процессы, получим урав-нение реакции между кремнием, марганцем и их окислами

Константа равновесия реакции по кремнию и марганцу

= .

На основании последнего выражения можно получить уравнение для расчетов концентрации марганца, равновесной с кремнием и окислами кремния и марганца

_р = (MnO) .

Вывод: равновесная концентрация марганца зависит не только от со-держания окислов кремния и марганца в шлаке, но и от концентрации свободного кремния в металле. Поэтому в практике сварочного произ-водства одновременно применяют два легирующих элемента – кремний и марганец.

Для оценки степени усвоения того или иного легирующего элемента металлом сварного шва служит коэффициент перехода (усвоения) , пред-ставляющий собой отношение прироста данного элемента в составе металла шва к количеству этого элемента, введенного в зону сварки. Большим не-достатком этого показателя является то, что он учитывает только начальные и конечные количества элементов и не учитывает весьма сложных метал-лургических процессов, протекающих в сварочной ванне.

Легирование металла сварного шва происходит на всех участках зоны сварки. Однако энергичнее и полнее эти процессы протекают на стадии кап-леобразования.

Средние значения коэффициентов перехода при сварке низкоуглеро-дистой стали штучными электродами составляют: углерод – 20…25 %; кремний – 25…40 %; марганец – 40…50 %; никель – 30…40 %; молибден – 50…60 %.

Рафинирование металла сварного шва

Рафинирование металла сварного шва, т. е. удаление из его состава вред-ных примесей – серы и фосфора – является третьей важной металлур-гической задачей, осуществляемой одновременно с раскислением и легиро-ванием.

Источниками поступления серы и фосфора в зону сварки могут быть:

– шлаки, в состав которых входят компоненты, содержащие серу и фосфор;

– расплавленный металл (как основной, так и присадочный).

Рассмотрим влияние серы и фосфора на свойства металла и пути его рафинирования.

Сера и ее удаление из металла сварного шва

Допустимое содержание серы в металле шва не превышает 0,03...0,04 %. Превышение допустимого содержания серы отрицательно сказывается на механических характеристиках металла. Так, например, увеличение содер-жания серы всего лишь на 0,005 % может служить причиной краснолом-кости металла. Сера с железом образует сульфид железа FeS, температура плавления которого 1195 ^оC. Сульфид железа хорошо растворим в стали (5…7 %) и плохо растворим в шлаке. Поэтому промывка жидкой стали шлаком существенных результатов не дает. Следует также помнить, что сульфид железа практически нерастворим в твердом железе и выделяется в нем в виде включений различной формы или в виде эвтектик (двойных или тройных). Например, двойная эвтектика FeS + Fe, температура плавления которой 985 ^оC.

В процессе кристаллизации металла сварочной ванны эвтектики оттес-няются растущими кристаллами к границам между ними (в том числе и в центральной части сварочной ванны) и становятся частью так называемых межкристаллитных прослоек. К моменту окончания кристаллизации метал-ла сварного шва такие прослойки могут оставаться жидкими, а возникаю-щие растягивающие напряжения могут вызывать на этих участках кристал-лизационные (горячие) трещины.

С целью удаления серы из металла шва необходимо в сварочную ванну вводить такие элементы, у которых химическое сродство к сере больше, чем у железа. С этой точки зрения наибольший интерес представляет маар-ганец по следующим причинам:

– обладает сравнительно высоким химическим сродством к сере;

– всегда присутствует в стали в сравнительно больших количествах;

– образует тугоплавкий сульфид, равномерно распределяющийся по всему объему;

– при концентрациях более 0,5 % способствует переходу серы в шлак.

Обессеривание металла с участием марганца протекает по реакции

[FeS] + (MnO) ® (FeO) + (MnS).

Константа равновесия равна

С повышением температуры константа равновесия увеличивается, т. е. реакция смещается в сторону большего выхода MnS и FeO.

Способность марганца удалять серу из металла шва объясняется широ-кое применение в промышленности высокомарганцевых флюсов.

Для обессеривания металла сварного шва можно использовать не только марганец, но и кальций.

[FeS] + (CaO) ® (FeO) + (CaS).

Одновременно протекает и другая реакция

(MnS) + (CaO) ® (MnO) + (CaS).

Сульфид кальция переходит в шлак, следовательно, содержание серы в металле шва уменьшается. Образующаяся в процессе обессеривания закись железа FeO удаляется из металла шва посредством раскисления.

Обессериванию способствует и плавиковый шпат (CaF₂, фтористый кальций, флюорит, плавень). При его взаимодействии с серой возможно образование летучих фтористых соединений, например SF₆, и в этом еще одно достоинство плавикового шпата.

Фосфор и его удаление из металла сварного шва

Фосфор, как и сера, является вредной примесью, ухудшающей меха-нические свойства и вызывающей хладноломкость. В сталях фосфор об-разует фосфиды двух типов Fe₂P и Fe₄P, которые частично растворимы в феррите.

2Fe P,

3Fe

Фосфор сильно ликвирует в процессе кристаллизации. Обесфосфоривание осуществляется в две стадии:

– на первой стадии фосфиды железа реагируют с закисью железа и обра-зуются свободное железо и фосфорный ангидрид

2 P + 5FeO ® + 9Fe,

2 5FeO ®

– на второй стадии фосфорный ангидрид реагирует с окислом кальция, наиболее активным по отношению к фосфорному ангидриду; образуется прочное и легко удаляемое в шлак комплексное соединение

.

На основании приведенных реакций можно сделать вывод, что полнота удаления фосфора из сварочной ванны в шлак определяется следующими факторами:

– содержанием свободных окислов CaO и FeO;

– содержанием комплексных соединений в шлаке, связывающих фосфор.

Уменьшение концентрации комплексных соединений в шлаке способст-вует очищению металла сварного шва от фосфора. С этой целью шлак раз-бавляется нейтральными солями, например, плавиковым шпатом, который одновременно разжижает шлак и повышает общую химическую активность шлака.

Кислые шлаки значительно хуже удаляют фосфор из металла сварного шва, так как имеющиеся в них основные окислы (кальция, марганца, железа) связаны в силикаты. Поэтому переход фосфора в шлак тормозится, и его содержание в металле сварного шва увеличивается.

Кроме того, расчеты и опыты показали, что с повышением температуры сварочной ванны переход фосфора из металла в шлак интенсифицируется.

Все приведенные выше соображения позволяют сделать вывод, что для целей обесфосфоривания металла сварного шва целесообразнее применять основные короткие шлаки (что подтверждается практикой сварочного про-изводства).

Процессы кристаллизации при сварке

Характер кристаллического строения металла сварного шва и около-шовной зоны (зоны термического влияния – ЭТВ) оказывают значительное влияние на свойства сварного соединения (сварное соединение – сово-купность металла сварного шва и ЗТВ).

В теории металлургических процессов, протекающих при сварке, рас-сматривают три вида кристаллизации металла:

– первичную кристаллизацию;

– вторичную кристаллизацию;

- взаимную кристаллизацию.

Первичная кристаллизация при сварке

Первичная кристаллизация – это образование кристаллов из жидкого ме-талла. Структура, образующаяся в результате первичной кристаллизации, называется первичной.

Первичная кристаллизация металла при сварке плавлением существенно отличается от кристаллизации слитка. Установлено, что кристаллизация металла сварочной ванны носит прерывистый характер и протекает в спе-цифических условиях:

– кристаллизация начинается на уже готовых центрах;

– металл сварочной ванны находится одновременно как под действием источника нагрева, так и под действием охлаждающих стенок сварочной ванны; при этом фронт кристаллизации связан с перемещающимся источником нагрева;

– распределение температур по объему сварочной ванны неравномерно.

Особенности кристаллизации металла при сварке плавлением приводят к тому, что по краям сварного шва образуется зона столбчатых кристаллов, а в середине – зона равноосных кристаллов.

При охлаждении дендриты (кристаллы) растут в сторону, противо-положную теплоотводу. При изменении направления теплоотвода кристаллы могут переплетаться, что способствует увеличению механичес-ких свойств металла сварного шва. Кроме того, кристаллизация металла сварочной ванны происходит в момент волнообразного перемещения жид-кого металла, и такое возмущение также способствует увеличению механических свойств металла сварного шва. Об этом свидетельствует тот факт, что ударная вязкость литой стали составляет от 4 до 8 кГм/см², а металла шва после сварки под флюсом до 30 кГм/см².

Прерывистость процесса кристаллизации металла сварочной ванны – основная причина слоистости металла сварного шва, что хорошо видно на продольных шлифах образцов, сваренных покрытыми электродами.

Вторичная кристаллизация металла при сварке

Вторичная кристаллизация – это структурные превращения в металле в твердом состоянии. Структура, образующаяся в результате фазовых превращений в твердом металле сварного шва и околошовной зоны, называется вторичной структурой.

Для литого металла характерна крупнозернистая структура с выделением избыточной фазы (феррита) по кристаллографической плоскости. Такая структура называется видманштеттовой. Она впервые обнаружена и опи-сана английским ученым У. Томпсоном и австрийским ученым А. Вид-манштеттеном. Представляет собой разновидность структуры сплавов, от-личающейся геометрически правильным расположением элементов струк-туры в виде пластин или игл внутри составляющих сплав кристаллических зерен. Термин «Видманштеттова структура» применяется для характерис-тики структуры сильно перегретой или литой стали, в которой выделяю-щийся из аустенита избыточный феррит располагается вдоль плоскостей кристаллов аустенита. В настоящее время применяется для описания других геометрически упорядоченных структур сплава. Возникновение таких структур объясняется тем, что при вторичной кристаллизации и перекри-сталлизации в твердом состоянии пластинчатая или игольчатая форма об-разующихся кристаллов и соединение их определенными плоскостями обеспечивают минимальную величину упругой и поверхностной энергии.

Видманштеттова структура обладает значительной твердостью и резко сниженными механическими характеристиками, особенно при работе в ус-ловиях динамических и знакопеременных нагрузок.

Видманштеттова структура наиболее часто встречается при газовой сварке (в результате перегрева свариваемого материала) и при дуговой сварке голым электродом или электродом со стабилизирующим (тонким) покрытием (вследствие того, что металл сварного шва почти полностью состоит из феррита, т. е. избыточной фазы).

При дуговой сварке электродами с качественным (толстым) покрытием количество феррита сравнительно мало (структура насыщена перлитом), поэтому видманштеттова структура встречается редко и не явно выражена.

При дуговой сварке под слоем флюса (по флюсу) вторичная структура металла практически полностью состоит из перлита, перегрева металла нет, видманштеттова структура отсутствует всегда.

Взаимная кристаллизация при сварке

Под взаимной кристаллизацией понимают образование общих зерен между свариваемыми материалами.

В зависимости от агрегатного состояния металла в месте образования (формировавния) сварного соединения этот процесс может протекать в двух различных формах – в пластическом или расплавленном состоянии.

При сварке материалов в пластическом состоянии они нагреваются в об-ласти контактирования с одновременным или последующим приложением внешнего давления (например, усилия осадки). При деформировании разо-гретого материала зерна одного металла растут за счет другого металла. Граница контактирования материалов (например, граница стыка) унич-тожается, образуются общие зерна, т. е. формируется непрерывная кри-сталлическая связь. Образованию общих зерен может помешать наличие за-грязнений, окисных пленок или недостаточное давление при сжатии или проковке (осадке). Поэтому для образования качественного сварного соеди-нения необходимо, чтобы контактируемые поверхности были чистыми, дос-таточными были давления и температуры нагрева.

При сварке плавлением взаимная кристаллизация протекает в иной фор-ме. У границы сплавления основного металла с металлом сварного шва по-являются частично оплавленные зерна, которые являются центрами кри-сталлизации. При охлаждении атомы жидкого металла будут встраиваться в кристаллическую решетку этих зерен. Зерна растут в направлении заданной ориентации кристаллической решетки, но при изменении направления теп-лоотвода направление роста зерна также может измениться. В результате описанного процесса образуются общие зерна, одновременно принадлежа-щие как основному металлу, так и металлу сварного шва. Граница между основным металлом и металлом сварного шва исчезает и формируется не-прерывная кристаллическая с вязь.

Вывод: несмотря на то, что процесс взаимной кристаллизации возможен в двух агрегатных состояниях металлов, существо процессов остается од-ним и тем же – образование общих зерен и непрерывной кристаллической

связи.

Методы улучшения структуры и свойств сварных соединений

Под сварным соединением понимают совокупность сварного шва и участка основного металла, который непосредственно прилегает к шву и подвергается нагреву в процессе сварки (этот участок называется около-шовной зоной или зоной термического влияния).

В сварном соединении температуры изменяются от точки к точке. Зона термического влияния включает характерные участки, например:

– участок неполного расплавления;

– участок перегрева;

– участок нормализации;

– участок неполной перекристаллизации;

– участок рекристаллизации;

– участок синеломкости.

Протяженность зоны термического влияния играет большую роль: чем уже зона термического влияния, тем больше внутренние напряжения; чем шире зона термического влияния, тем сильнее коробления. При сварке раз-личных материалов всегда нужно стремиться к уменьшению ширины зоны термического влияния и одновременно принимать меры по предупрежде-нию или снижению величины внутренних напряжений.

Необходимые свойства зоны термического влияния можно обеспечить правильным выбором способа и режимов сварки. Однако в ряде случаев применяются специальные технологические меры, способствующие улуч-шению структуры и свойств сварных соединений. Эта задача может быть решена следующими путями.

Особенности сварки многослойных швов

При сварке швов поперечным сечением более 40…50 мм² соединение получают за несколько слоев. Такие сварные швы называются многослой-ными. Если же площадь поперечного сечения каждого слоя более 40 мм², то каждый слой необходимо выполнять за несколько проходов. Такие сварные швы называются многослойными многопроходными. Первый слой (проход) многослойных сварных швов называется корневым проходом. Рассмотрим особенности сварки многослойного однопроходного сварного шва. Струк-тура корневого прохода практически такая же, как и у литого металла, т. е. крупнозернистая. При сварке второго слоя металл первого слоя и прилегаю-щий к нему основной металл нагреваются вторично и претерпевают пере-кристаллизацию. Зерно измельчается, свойства металла сварного шва улуч-шаются. Аналогичным образом подвергаются своеобразной термической обработке и последующие слои, в результате чего сварка многослойными швами обеспечивает более высокие свойства, чем сварка однослойными швами.

При сварке многослойных щвов на легированных сталях следует учиты-вать одно весьма существенное обстоятельство. При сварке последнего шва в зоне термического влияния образуется закалочная зона (на предыдущих слоях эта зона уничтожается в результате нагрева металла в процессе свар-ки последующих слоев). Для ликвидации этой зоны наплавляют специ-альный отжигающий валик, который наплавляется только на металл свар-ного шва без захода на основной металл. Тепловое воздействие отжигаю-щего валика уничтожает закалку. Однако в общем случае структура зоны термического влияния оказывается хуже структуры основного металла.

Проковка металла сварного шва

При сварке многослойных швов проковка применяется в качестве допол-нительного средства измельчения зерна. Кроме того, она способствует перераспределению и частичному снятию внутренних напряжений.

При сварке многослойных швов на стальных изделиях проковке подвер-гается каждый слой в отдельности. Появляющийся при проковке наклеп снимается в результате нагрева при сварке последующего слоя. Последний слой не проковывается.

Проковка может осуществляться на холодном или горячем металле. Проковка в холодном состоянии устраняет усадочные раковины, в горячем состоянии – предупреждает появление трещин. Эта операция трудоемка и применяется редко.

Проковка однослойных швов бывает полезной только на материалах, об-ладающих высокой деформационной способностью – цветных металлах и сплавах (медь и ее сплавы, алюминий и его сплавы и т. п.). Для сталей проковка однопроходных швов вредна, так как степень деформации у ста-лей мала и остается наклеп.

Термическая обработка при сварке

Термическая обработка сварных соединений эффективна и беспечивает:

– снятие внутренних напряжений;

– получение мелкого зерна путем перекристаллизации;

– выравнивание химического состава за счет диффузии элементов;

– придания металлу сварного соединения нужной структуры и необходи-мых свойств.

Термическая обработка заключается в нагреве до заданной температу-ры, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении с опреде-ленной скоростью. Сварные соединения могут подвергаться следующим ви-дам термической обработки:

– закалке (нагрев на 20…50 ^оC выше температуры линии с после-дующим охлаждением в жидкости);

– нормализации (нагрев до той же температуры, охлаждение на воздухе);

– отжигу (нагрев до той же температуры, охлаждение с печью);

– отпуску (нагрев до температуры ниже температуры линии , охлаж-дение с печью, на спокойном воздухе и т. д.).

При закалке, нормализации, отжиге происходит перекристаллизация, что влечет за собой изменение механических свойств. При отпуске пере-кристаллизация не происходит. Снимается наклеп, структура становится более стабильной (упорядоченной; искривленные оси кристаллов выпрям-ляются).

Анализ влияния термической обработки на структуру и свойства металла сварного шва показывает, что термическая обработка сварных соединений из низкоуглеродистых сталей мало эффективна. Для снятия внутренних на-пряжений иногда рекомендуют лишь отпуск.

Большее значение термическая обработка приобретает для легированных сталей в силу следующих причин:

– преимущества легированных сталей выявляется только после терми-ческой обработки;

– структурные превращения в зоне термического влияния могут вызвать появление трещин после сварки.

Некоторые легированные стали (например, низколегированные) можно сваривать без особых мер предосторожности, другие (например, некоторые среднелегированные и высоколегированные стали) требуют применения специальных мер.

В сварочном производстве легированные стали могут подвергаться сле-дующим видам термической обработки:

– предварительная термическая обработка. Применяется, если на сварку поступает металл с наклепом (после гибки, правки и т. п.) или перегревом. После предварительной термической обработки металл нельзя подвергать гибке, правке и т. п.;

– сопутствующая термическая обработка. Осуществляется различными способами в зависимости от марки свариваемой стали, требований к свой-ствам сварных соединений и т. д. Такими способами могут быть:

– – сварка с предварительным подогревом для массивных изделий с малым объемом сварных швов;

– – сварка с сопутствующим подогревом для тонких легко остывающих изделий с большим объемом сварных швов;

– – сварка с выравнивающим подогревом для замедленного охлаждения после сварки;

– – сварка с применением комбинированных режимов термической об-работки.

Различные виды подогрева при сопутствующей термической обработке сварных соединений в значительной степени усложняют технологические процессы и применяются в случаях крайней необходимости. При этом нужно следить за температурой, отсутствием сквозняков и т. п.;

– термическая обработка сварного соединения или всего изделия в целом после сварки. Позволяет улучшать структуру и свойства металла сварного шва и зоны термического влияния, снимать внутренние напряжения. Для большинства легированных сталей наилучшие результаты дает закалка с последующим отпуском. Однако, для некоторых легированных сталей предпочтение отдается нормализации.

Следует помнить, что термическая обработка – дорогостоящая операция, требует специального оборудования и не всегда обеспечивает желаемый ре-зультат.