Особенности металлургических процессов при сварке.

Металлургическими процессами называют процессы плавления, формирования химического состава и кристаллизации металла. По сравнению с процессами, происходящими при выплавке стали, металлургические процессы при сварке имеют ряд особенностей:

• Участие двух различных металлов в образовании шва (основного и присадочного), влияние флюса, покрытия электродов. Основным металлом называют металл изделия. Присадочным металлом является металл, заполняющий зазор между свариваемыми деталями, это либо плавящийся электрод, либо проволока при сварке неплавящимся электродом. Таким образом, сварной шов состоит из расплавленного основного металла и металла присадки, а его химический состав, кроме того, зависит от условий защиты сварочной ванны от воздуха.

• Интенсивное влияние окружающих газов (воздух, защитные газы). Воздух и защитные газы могут содержать вредные примеси, которые приводят к появлению дефектов сварных швов.

• Высокая температура.Температура металла в св. ванне - 2300⁰С (для сравнения - в мартеновской печи - 1700⁰С). При такой температуре происходит реакция диссоциации О₂иN₂,

т.е. кислород и азот переходят из молекулярного в атомарное состояние, в котором они интенсивно соединяются с Fe и др. элементами -необходима защита от воздуха.

• Малый объем сварочной ванны и большая скорость охлаждения(10-15 ⁰С/сек). При этих обстоятельствах химические реакции могут не завершиться - не достигается химическое равновесие металла, а вещества, которые должны уйти из сварного шва, могут остаться в нем - могут быть дефекты;

Кроме того, из-за быстрого охлаждения металл шва имеет литую (крупнозернистую) структуру (см. рис. 10), при которой ухудшаются механические свойства металла.

Рисунок 10 – Литая (столбчатая) структура сварного шва.

В результате в составе сварного соединения можно выделить следующие зоны (см. рис. 11):

1. Сварной шов, имеющий особый химический состав и структуру;

2. Зона термического влияния (ЗТВ), где химический состав не меняется, т.к. металл не расплавлялся, но вследствие нагрева выше критической температуры (для стали 720⁰С) происходит изменение структуры, при котором ухудшаются механические свойства металла;

3. Основной металл, где химический состав и структура не изменились.

Рисунок 11 – Структура сварного соединения.

Контрольные вопросы:

1. От чего зависит химический состав сварного шва?

2. Почему при сварке (в отличие от процесса выплавки стали) необходимо защищать расплавленный металл от воздуха?

3. Чем отличается структура сварного шва? Чем вызвана такая особая структура?

4. Назовите зоны сварного соединения, в чем их различие?

Химические процессы в сварочной ванне. Вредные примеси и их удаление из сварочной ванны.

Основными вредными примесями для сварного шва являются кислород, азот, водород, сера, фосфор.

Кислород - ухудшает механические, технологические свойства (ковкость, обрабатываемость), износостойкость металла шва, может привести к образованию пор. Источником кислорода является окружающий воздух.

Содержание кислородав сварном шве зависит отдлиныдуги,силысварочного тока, условий защиты. При увеличении длины дуги и силы сварочного тока (когда уменьшаются размеры, но увеличивается количество капель электродного металла), увеличивается площадь соприкосновения расплавленного металла с воздухом – увеличивается количество кислорода, попадающего в сварной шов.

Азот- образует нитриды железа (Fe₄N, Fe₂N),марганца и др. элементов, которые располагаются в сварном шве в виде игольчатых включений, приводящих к появлению трещин в сварной конструкции при низких температурах (хладоломкость).

Азот может попадать всварной шов из воздуха, т.е. содержание азотав сварном шве зависит от тех же факторов, что и кислорода.

Водородприпопадании в сварочную ванну вызывает в сварном шве трещины, поры. Источниками водорода могут бытьвлага в покрытии электродов,ржавчина и другие загрязнения на кромках. При увеличении степени легирования увеличивается склонность к водородным трещинам.

Сера и фосфор- могут попадать в сварочную ванну из основного металла, сварочной проволоки, покрытия электродов, флюсов. Сера приводит к появлению трещин при высоких температурах («красноломкость»), а фосфор – к появлению трещин при низких температурах («синеломкость»).

Уменьшение содержания вредных примесей в сварном шве достигается газошлаковой защитой расплавленного металла – при расплавлении покрытия электрода или флюса образуется газ, окружающий дугу, и шлак, обволакивающий капли расплавленного металла и сварочную ванну, шлак также замедляет остывание жидкого металла.

Кроме того, для получения качественного шва используют создание специальных химических процессов в сварочной ванне:

1. Раскисление сварного шва – удаление кислорода из сварного шва за счет добавки специальных элементов.

Эти элементы должны отвечать двум требованиям: во-первых, они должны иметь большее, чем железо, сродство к кислороду, т.е. они должны «забирать» кислород от железа, восстанавливая его из окислов; во-вторых, эти новые соединения должны быть нерастворимы в стали, т.е. выходить из шва в шлак.

Этим требованиям отвечают следующие элементы («раскислители»):

• Углерод (С) является «автоматическим раскислителем», т.е. его специально не добавляют в сварочную ванну – он всегда присутствует в стали и поступает в сварочную ванну из основного металла, присадочного материала (проволоки), покрытия электродов, флюса.

2 FeO + C = 2Fe+ CO₂

Углекислый газ (CO₂) должен успеть выйти из шва в шлак до кристаллизации, иначе могут быть поры.

• Марганец (Mn) раскисляет шов и удаляет серу (S):

F eO + Mn = Fe + MnO

F eS + Mn = MnS + Fe

Соединения, указанные стрелками, должны выйти в шлак.

• Кремний (Si) – более сильный, чем марганец, раскислитель, но применяют его вместе с марганцем, т.к. соединение SiO₂- вязкое, а марганец придает им жидкотекучесть, т.е. способствует выходу в шлак. В противном случае могут возникать дефекты сварного шва – «шлаковые (неметаллические) включения».

• Титан (Ti) – сильный раскислитель

T i + 2Fe = TiO₂ + 2Fe

2. Легирование шва – введение в шов специальных благородных элементов (Mn, Si, Cr, Ni, Mo,W, Ti и др.), которые улучшают химический состав и структуру металла шва. Легирующие элементы могут вводиться через присадочные материалы (проволоку), покрытия электродов, флюс.

3. Очищение шва от серы и фосфора–

Сера образует соединения FeS - при кристаллизации получаются легкоплавкие соединения по границам зерен металла, которые при высоких температурах, расплавляясь, образуют трещины; удаление - марганцем

F eS +Mn= MnS+ Fe

F eS +MnО=MnS+ FeО

Фосфор снижает механические свойства металла, приводит к синеломкости (трещины при низких температурах)

Удаление - в 2 этапа:

• Окисление 2Fe₂P + 5FeO = P₂O₅ + 9Fe;

2Fe₃P + 5FeO = P₂O₅ + 11Fe

• Связывание в химические соединения (окислами Ca, Mg, Mn), нерастворимые в стали

3 CaO + P₂O₅ = Ca₃P₂O₈

4 CaO + P₂O₅ = Ca₄P₂O₉