Реакции в расплавленном металле при сварке

В процессе сварки металл соприкасается с газами пламени, а вне пламени — с окружающей средой, обычно с воздухом. В результате этого взаимодействия металл подвергается изменениям, характер которых зависит от свойств металла, способа и режима сварки.

Наибольшим изменениям подвергается металл, расплавляющийся в процессе сварки. При этом изменяется содержание примесей и легирующих добавок в металле, а также может проис­ходить обогащение его кислородом, а при некоторых условиях — водородом, азотом и углеродом (см. § 18).

Так, при сварке стали, представляющей собой сплав железа с углеродом с присутствую­щими в виде примесей и добавок Mn, Si, S, Р, общая схема реак­ций в жидком металле сварочной ванны имеет вид, представленный на рис. 38.

Поступающая с кромок расплавляемого металла, а также образующаяся на поверхности жидкого металла закись железа растворяется в ванне и реагирует с различными элементами внутри сварочной ванны:

Вероятность протекания реакций раскисления в сварочной ванне определяется сродством различных элементов к кислороду и их количеством в сварочной ванне.

Технология газовой сварки

Эффективность выполнения процесса газовой сварки опреде­ляется режимом сварки (мощностью пламени, скоростью сварки, диаметром присадочного металла) и техникой сварки (включающей расположение горелки и присадочного металла по отношению к свариваемому металлу, а также движение горелки и присадочного металла).

Мощность пламени определяется количеством сжигаемого в единицу времени горючего и обычно измеряется в л/ч.

Из практики установлено, что необходимая для сварки мощность пламени Va примерно пропорциональна толщине сваривае­мого металла: = ƙδ,

где δ — толщина металла в мм;

ƙ — коэффициент пропорциональности, равный для низкоуглеродистой стали 100—130, для чугуна и нержавеющей стали 75—100, для алюминия 100—150, для меди 150—225.

Средняя скорость перемещения пламени ʋ (в м/ч) по отношению к свариваемому металлу при ручной сварке на установившемся режиме прогрева и расплавления, свариваемого ме­талла также зависит от толщины:

ʋδ= А, м/ч

где А — коэффициент, зависящий от свойств свариваемого металла и в некоторой степени от толщины (для стали средних толщин А =12-М5; для никеля А =9-11).

Диаметр присадочного металла (обычно в виде прутков проволоки или литых стержней) выбирается в за­висимости от толщины свариваемого металла и его теплофизиче­ских свойств. В большинстве случаев диаметр присадки d берется до δ

Б ольшое значение для получения швов хорошего качества имеет техника сварки, позволяющая при сварке правильно вводить и распределять тепло в свариваемом изделии, проплавлять свариваемые кромки и присадочный металл, управлять жидким металлом сварочной ванны.

Распределение тепла, вводимого в свариваемое изделие, и влияние механического действия пламени зависят от угла наклона оси пламени к поверхности свариваемого металла (φ). Проплавление основного металла и скорость сварки также зависят от этого угла. При малом значении угла ср пламя как бы скользит по поверхности металла, мало его проплавляя, но, подогревая находящийся впереди металл, способствует его тепловой подготовки для последующего расплавления. При значении φ близком к 90° глубина проплавления увеличивается, а степень тепловой подготовки еще нерасплавленного металла уменьшается. В связи с этим сварка металлов малых толщин производится при малом значении угла φ.

При сварке больших толщин расположение горелки изменяют, направляя пламя более вертикально. Ниже приводятся ориенти­ровочные углы наклона пламени при сварке сталей:

При сварке легких металлов (алюминия, магния) угол наклона φ должен быть небольшим, чтобы избежать выдувания ме­талла из ванны механическим действием пламени.

В процессе выполнения шва угол наклона пламени может меняться. В начале сварки, когда основной металл еще не подогрет, требуется держать угол ф большим, уменьшая его до нормальной величины в процессе сварки по мере разогрева свариваемого металла.

Важным фактором, влияющим на эффективность газовой сварки, является вы

б ор способа, определяемого взаимным расположением пламени и присадочного металла по отношению к направлению сварки.

Существует два способа сварки: левый и правый.

При левом способе сварки (рис. 47, а) пламя направляется вперед на еще не сваренные кромки основного ме­талла и располагается между сваренным участком шва и присадочным металлом. В этом случае кромки, подлежащие сварке, предварительно подогреваются как непосредственно пламенем, так и теплом, распространяющимся в результате теплопроводности металла. Этот способ эффективен при малой толщине (для стали при δ≤4 мм) и позволяет получить большую скорость сварки.

При правом способе (рис. 47, б) пламя направлено в сторону уже сваренного участка шва, а присадочный металл расположен между пламенем и сваренным участком шва. В этом

случае впереди лежащие кромки пламенем не подогреваются, но ввод тепла в сварочную ванну оказывается более эффективным, особенно при наличии разделки кромок, так как ядро пламени можно ближе подвести к поверхности расплавляемого металла. Этот способ эффективнее при больших толщинах металла (для стали при δ> 5 мм).

При правой сварке металл шва в процессе охлаждения омывается пламенем и остывает несколько медленнее. Это позволяет в ряде случаев получать швы с лучшими свойствами металла, чем при левой сварке.

Выполнение швов при правом способе сложнее и требует соответствующих навыков сварщиков.

Для достижения наибольшей производительности труда при минимальной за

т рате материалов, в частности горючего, необходимо стремиться к максимальному сокращению тепловых потерь. Практика ручной газовой сварки показывает, что производительность труда сварщиков в зависимости от технических приемов может меняться на 30—50%.

Технические приемы сварки (включающие перемещения горелки и присадки) зависят от расположения шва в пространстве, формы подготовки кромок, толщины и свойств свариваемого металла. Наиболее просто выполняются нижние швы, т. е. швы, расположенные на верхней горизонтальной плоскости свариваемого изделия. При выполнении нижнего шва с отбортовкой кромок (или торцового) применяется левая сварка, причем траектория перемещения горелки должна быть прямолинейной, без поперечных колебаний. При загрязненном металле для улучшения сплавления иногда

приходится применять продольно-колебательные движения горелкой в вертикальной плоскости. При левой сварке стыковых швов при δ = 2-З мм, выполняемой без присадочного металла, применяются поперечные колебания горелки (рис. 48, а).

При увеличении толщины металла стыковые швы выполняются левой сваркой с применением присадочного металла, как указано на рис. 48, б (для δ =4-5 мм) и рис. 48, в (для б> 5-6 мм).

Правая сварка при толщинах около 5—6 мм характеризуется в основном поперечными колебаниями присадки, а при больших толщинах — и горелки, и присадки (рис. 48, г). В последнем случае как пламя, так и присадка подводятся к кромкам син­хронно, в отличие от левой сварки, когда пламя и присадка, как правило, располагаются на противоположных кромках (рис. 48,

б и в).

Вертикальные швы (т. е. швы, расположенные отвесно на вертикальной плоскости), выполняются либо сверху вниз (прималых δ), либо снизу-вверх. Сварка сверху вниз выполняется пра­вым способом; сварка снизу-вверх выполняется как левым, так и правым способами.

П ри сварке, толщин 2—8 мм весьма эффективной является сварка двойным валиком. При этом способе в нижней части стыка проплавляется сквозное отверстие. Пламя, располагаясь в этом отверстии и постепенно поднимаясь снизу-вверх, расплавляет верхнюю часть отверстия. Этим расплавленным и присадочным ме­таллом заполняется ванна, образующаяся на нижней поверхности этого отверстия (рис. 49).

При сварке горизонтальных швов (швов, расположенных горизонтально на вертикальной плоскости) металл ванны стремится стечь на нижнюю кромку. Поэтому сварку обычно выполняют правым способом (используя механическое поддерживание пламенем). При этом ванну держат несимметрично (с перекосом) по отношению к свариваемым кромкам (рис. 50).

Потолочные швы (швы, выполняемые на горизонтальной плоскости снизу, над головой сварщика) лучше формируются, при правой сварке. Во всех случаях весьма важным является использование присадочного металла: для регулирования температуры ванны, которое осуществляется погружением и извлечением из нее присадки;

1) для защиты от расплавления кромок уже сваренного участка шва при правой сварке;

2) для поддержания ванны при Рис. 50. Выполнение горизонталь- садкой (при сварке горизонтальных и потолочных швов).

СВАРКА УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ

К низкоуглеродистым сталям относятся стали, содержание углерода в которых столь невелико, что оно не производит заметного изменения свойств железа. Так, например, к этой группе по металлургическим основаниям можно отнести стали с содержа­нием углерода до 0,18% (практически до ~0,25%).

Железо при высоких температурах достаточно легко оки­сляется, причем образующаяся закись железа FeO имеет температуру плавления 1370° С, растворяется в расплавленном железе в количестве около 0,9% и выпадает из раствора при затвердевании.

Присутствие закиси железа в твердой стали сопровождается явлением красноломкости (которая также усиливается серой), некоторым снижением прочностных свойств и при расположении слоями (как при кристаллизации сварочной ванны) — снижением пластических свойств и ударной вязкости. Наличие FeO в сварочной ванне при сварке низкоуглеродистых сталей не вызывает значительных затруднений, однако при значительном количестве

закиси железа рекомендуется ее флюсование.

Расплавленное железо растворяет различные газы, но в условиях газовой сварки металл шва после охлаждения содержит относительно малые количества и азота, и водорода. Это определяется тем, что в пламени концентрация азота и водорода невелика и растворившиеся в металле количества этих газов успевают удалиться при кристаллизации.

Так как расплавленное железо является достаточно вязкой жидкостью и хорошо смачивает твердые нагретые кромки, сварку его можно осуществлять при любом положении шва в пространстве.

П овышение содержания углерода ухудшает сварочные свой­ства сталей, приводит к порокам в шве, способствует образованию крупнозернистой структуры металла, особенно вблизи границы сплавления, и хрупких прослоек в около шовной зоне, а иногда и в самом шве. Все это затрудняет получение сварных соединений, равнопрочных с основным металлом.

Вследствие повышенного содержания углерода в ванне при наличии FeO образуется значительное количество окиси углерода:

FeO + С = Fe + СО.

Наличие СО в ванне может привести к пористости шва, в связи с чем рекомендуется уменьшать исходное содержание углерода в ванне, применяя присадку с меньшим его содержанием, чем в основном металле. Содержания углерода в стали (при 0,18% с около 20° С, при 0,5% С 100° С, а при 1,7% С 300° С) область двухфазного состояния у границы сплавления является более широкой. Этот участок сварного соединения характеризуется в конечном состоянии крупным зерном и даже пористостью, вызываемой реакцией (50).

Снижение критической скорости закалки у сталей с повы­шенным содержанием углерода (при отсутствии уменьшения ско­рости охлаждения после сварки) приводит к образованию в около шовной зоне неравновесных хрупких структур h увеличивает возможность образования трещин.

Ухудшающее действие углерода сказывается постепенно по мере увеличения его концентрации в стали. При газовой сварке стали, содержащей 0,25—0,35% С, затруднения в получении хорошего качества появляются только для особо жестких соединений. Поэтому при сварке углеродистых сталей с таким содержанием углерода применяется, как правило, обычная технология, используемая для сварки низкоуглеродистых сталей. При большем содержании углерода применяется более сложная технология сварки.

Правую сварку целесообразно применять при δ ≥ 5 мм, причем угол раскрытия может быть несколько уменьшен (до 70°).Механические свойства металла шва могут быть в некоторой степени улучшены горячей проковкой, местной нормализацией или проковкой с последующей нормализацией.

П ри сварке тонких штампованных деталей для уменьшения участка рекристаллизации следует ускорять процесс охлаждения, накладывая параллельно шву компресс из мокрого асбеста.

Основные технологические указания по газовой сварке среднеуглеродистых сталей сводятся к следующему.