книги из ГПНТБ / Фоминых В.П. Электросварка учеб. для проф.-техн. училищ

ла), имеющих весьма важное значение в металлургиче­ ских процессах, происходящих при сварке плавлением: закись железа FeO, содержащую 22,27% 02 ,закись-окись железа Fe3C>4, содержащую 27,64% 02 , окись железа Fe2 03 , содержащую 30,06% 0 2 .

Из всех трех окислов растворима в железе только закись. Остальные окислы в железе практически не рас­ творимы и на его свойства влияния почти не оказывают. Однако окалина и ржавчина на свариваемых кромках, содержащие высшие окислы (закись-окись и окись же­ леза), свободным железом могут раскисляться до заки­ си по реакциям

вие чего в сварном шве образуются поры. В твердом же­ лезе растворимость кислорода невелика.

Для уменьшения растворимости окисла в металле необходимо иметь соответственно более низкую концент­ рацию окисла в шлаке, в результате окисел будет стре­ миться перейти из металла в шлак. Наоборот, более высокая концентрация окисла в шлаке способствует его

ют кислород, также происходит окисление металла сва­ рочной ванны.

Если жидкий металл содержит элементы-раскислите- ли, которые имеют большее сродство к кислороду, чем

50

металл сварочной ванны, то в этом случае концентрация кислорода в сварочной ванне может быть значительно уменьшена за счет элементов раскислителен.

Взаимодействие водорода, азота и сложных газов с расплавленным металлом сварочной ванны. Водород в составе газовой фазы может находиться в молекулярном или атомарном состоянии, что зависит от температуры. При более высоких температурах молекулярный водород диссоциирует на атомарный и ионизированный. Метал­ лы, способные растворять водород, можно разделить на две группы. К первой группе относятся металлы, не име­ ющие химических соединений с водородом (железо, ни­ кель, кобальт, медь и др.). Металлы первой группы по­ глощают водород в твердом состоянии, растворимость которого в них увеличивается при плавлении и зависит от состояния водорода.

Ко второй группе относятся металлы, образующие с водородом гидриды, представляющие химическое соеди-' неиие металла с водородом (палладий, цирконий, титан, ванадий, торий, тантал и редкоземельные элементы). При небольших количествах поглощенного водорода эти металлы образуют с ним твердые растворы, а при более значительных количествах — гидриды. Легирующие эле­ менты оказывают самое разнообразное влияние на рас­ творимость водорода в сплавах железа. Углерод, крем­ ний, алюминий и хром снижают растворимость водорода в сплавах железа, а титан и. ниобий ее увеличивают. Растворенный водород в сварочной ванне и его неполное выделение в период кристаллизации приводят'к образо­ ванию дефектов: пор, макро- и микротрещин в металле шва, а также холодных и горячих трещин в околошовной зоне.

Концентрация водорода в сварочной ванне можег быть уменьшена путем создания нерастворимых соеди­ нений водорода в металле, как например, фтористого во­ дорода HF, а также путем некоторого окисления свароч­ ной ванны.

Азот. В зависимости от температуры азот, как и во­ дород, в газовой фазе зоны дуги может находиться в мо­ лекулярном, атомарном и ионизированном состояниях. Основным источником азота в газовой фазе зоны дуги является окружающая атмосфера. Растворимость азота

вжелезе зависит от его состояния. Азот не растворяется

вмеди, никеле, золоте, серебре и не образует с этими

металлами химических соединений. С железом он обра^ зует нитриды Fë2 N (11,15% N) и Fe4 N (5,9% N). Азот способствует образованию пор в металле шва. Увеличе­ ние концентрации азота в низкоуглеродистых сталях вли­ яет на прочностные п пластические свойства этих сталей, а также способствует старению металла. Иногда его вводят в состав легированных сталей для получения аустеннтной структуры. В этом случае он является аустенптпзатором и рассматривается как ценная легирующая добавка.

Углекислый газ. В составе газовой фазы зоны дуги углекислый газ С 0 2 присутствует в значительных коли­ чествах. Это особенно заметно при сварке электродами, покрытие которых создано на основе мрамора и плави­ кового шпата. В процессе плавления такого покрытия происходит диссоциация карбоната кальция с образова­ нием углекислого газа.

С а С 0 8 = СаО + С 0 2 .

Углекислый газ активно окисляет жидкий металл.

где [FeO]—закись железа, растворившаяся в железе. Образующаяся окись углерода СО в металле шва не растворяется, в процессе кристаллизации сварочной ван­ ны она выделяется іг образует поры. Углекислый газ мо­ жет быть использован для защиты зоны сварки от воз­ духа, если в состав проволоки ввести марганец и крем­ ний, которые будут нейтрализовать реакцию образова­

ния СО.

Водяной пар, находящийся в газовой фазе, образует­ ся из влаги покрытия и флюса, влаги ржавчины, находя­ щейся на поверхности свариваемых кромок, а также é результате реакций, протекающих в покрытиях и газо­

52

н ы я у г и, контактирующая с жидким металлом, состоит из смеси СО2, СО, Н 2 0 , Н2 , 02 , N 2 l а т?кже продуктов их

диссоциации (О, H, N, ОН) и паров металла 31 шлака. Кислород, находясь в сварочной вание, образует с же­ лезом закись железа FeO, которая, растворяясь в сва­ рочной ванне, снижает прочностные свойства металла

шва.

Водород, оставшийся в расплавленном металле, впо­ следствии является причиной образования холодныхтрещин.

Азот способствует старению шва, образованию пор в шве, а в целом снижает прочностные свойства сварного соединения.

Влияние серы и фосфора на качество сварных соеди­ нений. Сера, соединяясь с железом, образует сульфид железа FeS, который является вредной примесью в ме­ талле шва. Сульфид железа в период кристаллизации сварочной ванны образует эвтектику FeS—Fe, имеющую меньшую, чем сталь, температуру плавления (940°С) и малую растворимость в жидкой стали. Это является причиной образования горячих трещин, поскольку эвтек­ тика при кристаллизации располагается между зернами стали. Вредное влияние оказывает и фосфор, снижаю­ щий ударную вязкость металла шва. Для ликвидации вредного влияния серы и фосфора необходимо умень­ шить их содержание в металле шва путем создания их соединений, нерастворимых в металле.

Легирование металла шва. Легирование металла шва может быть получено расплавлением присадочной проволоки (один из наиболее надежных способов леги­ рования), либо введением в покрытие или флюс порош­ кообразных металлических добавок или восстановлени­ ем из окислов металлов. При этом следует учитывать активность окисления легирующего элемента в зоне, сва­ рочной ванны. С увеличением активности окисления легирующего элемента в зоне сварки уменьшается его усвоение сварочной ванной. Для оценки поведения того или иного элемента в сварочной ванне необходимо знать его сродство к кислороду (степень активности окисления элемента кислородом). Активность некоторых широко известных элементов по отношению к кислороду повы­ шается в следующем порядке (до температуры 1600°С);

Си — Ni — Со — Fe — W — Mo — Cr — Мп. — V —

— Si — Ti — Zr — Al.

53

Элементы, стоящие левее от железа, при сварке ста­ лей будут практически полностью усваиваться сварочной ванной. Вольфрам и молибден, стоящие справа от желе­ за, достаточно полно усваиваются сварочной ванной. Большую трудность представляет легирование шва тита­ ном и алюминием, так как, чем правее от железа распо­ ложен элемент, тем быстрее он окисляется.

В о п р о с ы д л я с а м о п р о в е р к и

1.Какие фазы имеются в сварочной дуге?

2.Какие соединения элементов с железом растворимы в жидком металле и как влияет их растворимость на качество сварного соеди­ нения?

§ 11. МЕТАЛЛУРГИЯ РУЧНОЙ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ СВАРКИ

Электрод состоит из обмазки (покрытия) и стального стержня. В состав покрытия и стержня вводятся компо­ ненты, обеспечивающие в процессе сварки необходимую металлургическую обработку сварочной ванны. Элект­ родные покрытия во время горения сварочной дуги ме­ жду электродом и изделием защищают зону сварки от кислорода и азота воздуха, раскисляют и легируют рас­ плавленный металл сварочной ванны, создают устойчи­ вость дугового разряда и обеспечивают заданные меха­ нические свойства сварному шву, а также необходимую структуру металла и требуемый химический состав свар­ ного шва.

Защита зоны сварки от атмосферного влияния кис­ лорода и азота бывает шлаковая, газовая и шлакогазовая.

В покрытиях современных электродов используется в основном шлако-газовая защита. Электродные покры­ тия должны иметь определенный интервал затвердева­ ния, что в свою очередь определяет применимость элект­ родов для сварки в различных положениях. В зависимо­ сти от того, как осуществляется защита расплавленного металла сварочной ванны — электродные покрытия раз­ деляются на рудно-кислое, фтористо-кальциевое (основ­ ное), рутиловое и газозащитное.

•В покрытиях рудно-кислого типа для шлаковой защи­ ты используют окислы железа, марганца, титана и крем­ ния.

54

Газовая защита дугового пространства создается ор­ ганическими составляющими (например, крахмалом). Поэтому при сварке электродами, имеющими рудно-кис- лое покрытие, происходит интенсивное образование га­ зов СО, Н2 , СО2, Н 2 0 , которые образуют хорошую защи­ ту расплавленного металла сварочной ванны от азота. Высокое содержание в этом покрытии гематита (Fe2 03 ) требует значительного количества раскислителей в виде ферромарганца. При расплавлении электродного покры­ тия гематит, соединяясь с железом, образует закись же­ леза (FeO). •

Fe2 03 + Fe = 3FeO.

Поэтому для погашения образования закиси железа, спо­ собной хорошо растворяться в расплавленном металле и вводится ферромарганец. Хотя и в этом покрытии на­ ходится много ферромарганца содержание кислорода

.в наплавленном металле остается достаточно высоким. Покрытия рудно-кислого типа мало чувствительны к ржавчине, находящейся на свариваемых кромках, вслед­

(CaF2 ) газовую защиту сварочной ванны обеспечивают диссоциацией мрамора.

Раскислитслями в покрытии фтористо-кальциевого типа являются ферротнтан, ферромарганец и ферроси­

Элементы-раскислители углекислый газ (С0 2 ) перево­ дят в окись углерода (СО), хотя часть С 0 2 остается не­ восстановленной. Поэтому газовая фаза этих электродов по отношению к жидкому металлу является окислитель­ ной во всем температурном интервале сварки. Содер­ жание FeO в шлаке этого покрытия является незначи­ тельным, поэтому шлаки не оказывают окисляющего действия на расплавленный металл сварочной ванны. Наличие в покрытии сильных раскислителей (титан, кремний, марганец, а в некоторых случаях и алюминий) обеспечивают невысокую концентрацию кислорода в на­ плавленном металле, а наличие в покрытии фтористого кальция (CaF2 ) обеспечивает удаление водорода из рас­ плавленного металла сварочной ванны.

55

Однако, ввиду высокой раскисленности покрытия рас­ творимость водорода в металле ванны остается высокой. Поэтому при сварке по ржавым кромкам, повышенной влажности покрытия и при сварке длинной дугой в свар­ ных швах образуются поры. Наличие в покрытии мар­ ганца связывает серу в сульфид марганца, что предот­ вращает образование трещин при сварке -электродами фтористо-кальциевого типа.

Рутиловые покрытия, построенные на основе рутила (Ті02 ), имеют некоторые шлакообразующие компоненты в виде полевого шпата, магнезита и др. Газовая защита в них создается органическими веществами (целлюло­ зой, декстрином) и карбонатами. Раскислителем в этом покрытии является ферромарганец. При сварке электро­ дами рутилового типа в начальной стадии нагревания имеет интенсивный распад органических веществ и дис­ социация карбонатов, как например, магнезита

MgCOs = MgO + СО2,

в результате чего в газовой фазе дуги содержатся СО2,

СО и 0 2 .

В результате наличия С 0 2 , СО и 0 2 концентрация во­ дорода меньше чем у электродов руднокислого типа, что позволяет увеличить степень раскисленности металла шва за счет увеличения содержания кремния. Основная часть марганца в процессе сварки испаряется или окис­ ляется.

Электроды с газозащитными покрытиями в своем составе имеют до 50% органических газообразующих со­ ставляющих (пищевая мука, целлюлоза и т.д.), образу­ ющих в процессе дугового разряда в больших количест­ вах СО и Н2 . Для предупреждения насыщения расплав­ ленного металла сварочной ванны водородом и предупреждения парообразования повышают степень окисленности сварочной ванны путем введения в покры­ тие титанового концентрата (Ti02 -FeO), марганцевой руды (МпО) и плавикового шпата (CaF2 ). Плавиковый шпат связывает водород в нерастворимое в металле сое­ динение (HF) фтористый водород. Для устранения дористости, связанной с выделением окиси углерода (СО) во время кристаллизации сварочной ванны вводят в по­ крытие ферросилиций, который подавляет образование, реакции СО.

5.6

• При выборе электродов для сварки металлов необхо­ димо учитывать следующие основные особенности:

1)марку свариваемого металла;

2)требования, предъявляемые к сварным соедине­ ниям по химическому составу, структуре и механическим свойствам, а также технологическую применимость рас­

сматриваемой марки электродов.

§ 12. МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ СВАРКИ

Процесс кристаллизации сварочной ванны. Хорошо свариваются-те металлы и сплавы, которые в своем со­ ставе имеют элементы, обладающие неограниченной взаимной растворимостью как в жидком, так и в твердом состоянии. Такие металлы и сплавы не будут образовы­ вать соединения, вызывающие охрупчивание сварного соединения. Хорошую взаимную растворимость имеют железо и никель, железо и ванадий, железо и хром, мо­ либден и тантал, никель и вольфрам, никель и медь, ни­ кель и кобальт, хром и молибден, хром и ванадий, хром и титан и т. д.

Процесс кристаллизации сварных швов отличается от кристаллизации слитков высокими скоростями кристал­ лизации, поскольку после интенсивного нагрева металла концентрированным источником тепла происходит быст­ рый отвод тепла в свариваемое отделение. Скорость ох­ лаждения сварных швов исчисляется десятками и сотня­ ми градусов в секунду.

Кристаллизацию сварных швов изучают металлогра­ фическим методом, путем исследования образовавшейся структуры. Металлографическим методом установлено, что в верхней части швов располагаются наиболее круп­ ные, а в нижней наиболее мелкие кристаллиты. В сред­ ней части швов кристаллиты имеют удлиненную форму (транс-кристаллитное строение), а в верхней части швов ветвистую форму (дендритное строение).

Процесс кристаллизации сварных швов осуществля­ ется прерывисто, чем объясняется, появление кристалли­ зационных слоев, каждый из которых состоит из не­ скольких основных участков (рис. 24) і нижнего — с не­ большим содержанием углерода, серы и фосфора (имею­ щего наиболее интенсивное почернение при травлении) ( среднего — наиболее широкого, характеризующегося

57

Макро- и микроструктура бывает первичной и вторич­ ной. Первичная структура образуется непосредственно в процессе затвердевания расплава; вторичная — в резуль­ тате фазовых (термических) превращений. Сварные швы имеют целый комплекс структур наплавленного ме­ талла и металла, который в процессе сварки подвергал­ ся нагреву. Рассмотрим различные участки структуры сварного шва (рис. 25).

Напладленный металл

Участок неполного,.

сталлиза'ции500

Рис. 25. Схема изменения структуры по участкам в однопроходном сварном шве

У ч а с т о к н а п л а в л е н н о г о м е т а л л а (шва) имеет столбчатое строение. Столбчатые кристаллиты от переходной зоны между участком неполного расплавле­ ния и наплавленным металлом направлены вглубь шва. Кристаллит состоит из отдельных дендритов, имеющих общую направленность, которые иногда могут иметь и различную разветвленность. Группа дендритов, имею­ щая четкую границу, составляет столбчатый кристаллит. В корне шва, ближе к переходной зоне, составляющие столбчатый кристаллит деидриты разветвлены мини­

59