Раскисление углеродом.

Углерод С взаимодействует с окислами в зоне наиболее высоких температур сварочной ванны:

FeO+C=Fе +CO(11)

Окись углерода СО выделяется в атмосферу, вызывая сильное кипение сварочной ванны и газовые поры.

Для получения плотного беспористого шва необходимо подавлять реакцию окисления углерода повышением содержания Siдо 0,2 – 0,3%, раскисляя сварочную ванну по формуле 10, иначе неизбежно образование пор.

Азотвоздуха под действием высоких температур частично переходит в атомарное состояние и растворяется в жидком металле. При охлаждении азот выделяется из ванны и взаимодействует с элементами металла, образуя нитриты:FeN, MnN, SiN, которые повышают прочность, резко снижая пластичность. Азот вреден для сварки. Содержание азота снижают, защищая ванну защитными газами:CO₂, Ar, He и увеличивая содержание С иMnв сварочной проволоке (например, применяя проволоку св 08Г2С).

Сера– вредная примесь, образующая сульфид железаFeS. Последний, имея температуру плавленияtпл = 1193ºС, более низкую, чем железо, при кристаллизации ванны остается в ней в виде жидких прослоек, являясь причиной образования горячих трещин. Серу удаляют с помощью марганца:

FeS+Mn=MnS+Fe(12)

MnSне растворяется в жидком металле и переходит в шлак.

Фосфор – вредная примесь, вызывает неоднородность шва, рост зерен, снижение пластичности при низких температурах. Он находится в ванне в виде фосфидов железа:Fe₃P,Fe₂P. Удаляется фосфор из ванны серой или закисью железа, а затем окисью кальция, входящей в состав покрытий( например,фтористокальциевое покрытие электродов УОНИ13/45).

Удаление фосфора происходит по следующим формулам:

2Fe₂P + 3FeO = P₂O₃ + 9Fe (13)

3CaO + P₂O₃ = Ca ₃P₂O₆ (14)

Получаемые соединения нерастворимы в жидком металле и переходят в шлак.

Водород – вреден для сварки, при высоких температурах диссоциирует на атомы, хорошо растворяемые в наплавленном металле. При затвердевании атомы вновь образуют молекулы, выделяемые в виде газовых пузырей. Источник водорода – влага из окружающего воздуха, покрытия, ржавчина. Особенно насыщается водородом металл при сварке на прямой полярности, т.к. атомы водорода несут отрицательный заряд, который стремится к аноду (в данном случае, к металлу). Чтобы предотвратить насыщение металла водородом, необходимо обеспечить минимальное содержание влаги в присадке, основном металле, воздухе, покрытиях и флюсах Требуется прокаливать электроды и флюсы непосредственно перед применением, очищать кромки основного металла и проволоку от окислов.

Легирование металла шва осуществляется с целью пополнения последнего элементами, содержание которых уменьшилось вследствие выгорания. Кроме того, легируют шов дополнительно, придавая особые свойства шву: прочность, коррозионную стойкость и т.п. Легируют шов марганцем, хромом, никелем, титаном, молибденом. Например, при сварке стали 30ХГСА применяют проволоку св18ХМА, легированную хромом и молибденом.

5.1 Строение сварного соединения

Структура сварного соединения определяется исходной структурой свариваемых материалов, характером физического воздействия на него и степенью завершённости фазовых и структурных превращений, протекающих при сварке. Наибольшее количество структурных изменений наблюдается в металлах, претерпевающих полиморфные превращения. Однако не зависимо от наличия или отсутствия у металла полиморфного превращения при сварке плавлением в сварном соединении можно выделить несколько зон.

Строение сварного соединения может быть показано на примере зон структурных изменений при сварке углеродистой стали (рис. 23).

ºС

1539º

1

ликвидус

1500

солидус

1400

1

2

300

1200

1147º

1100

1000

3

А_С1

900

4

800

727º

700

А_С3

5

600

500

400

300

6

200

100

1 2 3 4 5 6

0,8% 2,14%

%углерода

Рис. 23. Схема строения сварного соединения при сварке стыкового шва.

1 – зона сплавления;

2 – участок перегрева;

3 – участок полной перекристаллизации;

4 – зона частичной перекристаллизации;

5 – зона высокотемпературного отпуска (рекристаллизации);

6 – участок синеломкости (цвета побежалости) .

Металл шва имеет характерное дендритное строение. В металлах, не претерпевающих структурных и фазовых превращений, структура металла шва определяется его первичной кристаллизацией и представляет характерные столбчатые кристаллы, выросшие от линии сплавления к центру шва.

Непосредственно к металлу шва примыкает зона сплавления (1), где металл был нагрет до температурного интервала между ликвидусом и солидусом, т.е. находился в твёрдожидком состоянии. Ширина этой зоны зависит от состава металла, т.е. температурного интервала кристаллизации сплава и температурного режима нагрева и охлаждения.

В ней,так же, как и в шве, наблюдаются существенные изменения химического состава и свойств металла под действием цикла сварки.

Ко второй зоне перегрева относится зона нагрева стали до температуры выше температуры фазовых превращений (температура в интервале от линии солидуса до 1000ºС). Общей чертой этой зоны является то, что в металле могут происходить полные структурные и фазовые превращения, характерные для данного металла. На этом участке наблюдается существенное изменение состава и свойств металла. В низкоуглеродистой стали в зоне нагрева выше 1000ºС наблюдается существенный рост зерна. Зона сплавления и участок перегрева – это места вероятного образования горячих и холодных трещин в сплавах, склонных к таким дефектам.

Третья зона – участок полной перекристаллизации (диапазон от 1000ºС до линии Ас₃). На ней металл нагревается до температуры выше температуры фазовых превращений, однако температура нагрева и время пребывания металла при этой температуре были таковы, что значительного роста зерна не произошло.

Четвёртой зоной сварного соединения является зона нагрева металла до температуры от линии Ас₃до линии Ас₁– зона частичной перекристаллизации. Структурные изменения в этой зоне не оказывают существенного влияния на свойства сварного соединения при сварке термически неупрочняемых металлов. Однако эти изменения следует учитывать в случае сварки закалённого металла, т.к. происходит его разупрочнение.

Следующая зона (5) – зона высокотемпературного отпуска или рекристаллизации (температурный интервал от Ас₃до температуры 500ºС). В этой зоне наблюдается разупрочнение металла, сваренного в состоянии после упрочняющей термообработки или в наклёпанном состоянии. Зона нагрева стали в интервале 500…800ºС опасна и с точки зрения коррозийного разрушения. В аустенитной нержавеющей стали некоторых марок в зоне нагрева металла в этом интервале температур может развиваться процесс образования карбида хрома по границам зёрен, в результате чего приграничные области обедняются хромом. При работе сварного соединения в коррозийной среде по этим областям развивается межкристаллитная коррозия, приводящая к разрушению изделия.

Шестой зоной является зона нагрева металла до температуры значительно ниже температуры фазовых превращений (500…100ºС). В этой зоне у некоторых металлов может наблюдаться снижение пластических свойств и ударной вязкости за счёт старения металла или его наклёпа вследствие пластической деформации и отсутствия процесса рекристаллизации. Как правило, влияние таких изменений на свойства сварного соединения незначительно. Но в отдельных случаях эта зона может обладать худшими коррозионными свойствами, повышенной твёрдостью, худшей длительной прочностью.

За этой зоной следует основной металл, не претерпевающий изменений в процессе сварки.