ЛЕКЦИЯ 2. Металлургические процессы при сварке плавлением и формирование металла шва

Металлургическими процессами называются процессы расплавления и затвердевания металла, сопровождающиеся изменением его химического состава и кристаллического строения. Сварка тоже металлургический процесс. К металлургическим процессам при сварке относятся процессы взаимодействия жидкого расплавленного металла с газами и сварочными шлаками, а также взаимодействия затвердевающего металла с жидким шлаком.

Металлургические процессы при сварке металлов плавлением очень сложны и отличаются от процессов, происходящих в обычной мартеновской печи, следующими характерными особенностями:

1. Высокой температурой сварочной дуги (6000-8000°С) и ванны (2400-2600°C);
2. Малым объемом нагретого и расплавленного металла (в зависимости от режима сварки объем сварочной ванны – 2-8 см³),
3. Кратковременностью нахождения металла в ванне в жидком состоянии (всего несколько секунд), а в мартеновской печи – несколько часов,
4. Быстрым отводом тепла от расплавленного металла сварочной ванны в прилегающие к ней зоны твердого основного металла,
5. Активным физико-химическим взаимодействием расплавленного металла в период его перехода с электрода в сварочную ванну и в самой ванне с окружающей газовой средой, шлаками расплавленных покрытий и флюсов и основным металлом.

Высокая температура нагрева при сварке значительно ускоряет процессы плавления электродного и основного металла и электродного покрытия, а также увеличивает испарение, разбрызгивание и окисление веществ, находящихся в зоне сварки. Молекулы газов (кислорода, азота и водорода) при высоких температурах распадаются на атомы, вследствие чего расплавленный металл в процессе сварки более интенсивно окисляется, насыщается азотом и поглощает водород. Так как процесс затвердевания жидкого металла сварочной ванны является кратковременным из-за быстрого отвода тепла в окружающий металл, то протекающие в ванне химические реакции не успевают полностью завершиться. Скоротечность процесса затвердевания металла шва отражается на строении (структуре) металла шва и околошовной зоны основного металла.

Химический состав, структура и плотность металла шва зависят от состава основного и присадочного металла, газов окружающих жидкий металл, режима сварки. Все это затрудняет получение сварных швов иысокого качества, особенно для металлов, чувствительных к быстрому нагреву и охлаждению, легко окисляющихся, склонных к образованию пор и трещин. Для сварки таких металлов приходится применять специальную технологию и режимы.

При сварке стали одной из главных задач является получение расплавленного металла, по возможности свободного от примесей (О₂, N₂, Н₂, S и Р). Кислород является наиболее вредной примесью, т.к. окисляет расплавленный металл, образуя окислы. В практике сварки приходится считаться с возможностью окисления жидкого металла кислородом воздуха, свободным кислородом газовой фазы, поверхностными окислами и др. Окисление железа так же, как и меди, никеля, титана в процессе сварки сопровождается растворением образующихся окислов в ванне жидкого металла до тех пор, пока концентрация кислорода в ней не достигнет предела насыщения. При сварке сталей в случае наличия окислительных условий может иметь место не только окисление металлической основы, но и входящих примесей. Возможность окисления той или иной примеси (элемента) определяется ее сродством к кислороду при данной температуре. Содержание кислорода в металле шва может составлять 0.23% при сварке голыми электродами. Для защиты в состав покрытия вводят элементы раскислители. Как правило, эту роль выполняют ферро сплавы.

Азот воздуха, попадая в столб дуги, разогревается и частично диссоциирует. В атомарном состоянии азот растворяется в жидком металле и при затвердевании образует с железом Нитриды. В металле шва содержание азота может составлять 0.12% и даже 0,20% при сварке электродами без покрытия. Содержание азота вредно влияет на механические свойства и в первую очередь на пластичность. Насыщение металла шва азотом способствует образованию пор. С увеличением напряжения дуги содержание азота в шве возрастает. Следовательно, зону сварки необходимо защищать от воздействия азота с помощью электродных покрытий, флюсов или защитных газов.

Водород в металле шва также является вредной примесью. Он может быть как в виде газовых пузырей (пор), так и в виде флокенов (микроскопических трещин). Водород попадает в зону сварки из влаги покрытия или флюса, ржавчины на поверхности сварочной проволоки и деталей в месте сварки. Сварка на постоянном токе обратной полярности способствует наименьшему содержанию водорода в металле шва. Чтобы предотвратить насыщение металла шва водородом при сварке необходимо:

-- просушивать электроды перед сваркой путем прокалки,

-- зачищать кромки перед сваркой от ржавчины,

-- стараться не применять многопроходных швов при автоматической сварке под флюсом, т.к. при наложении последующих слоев водород насыщает нижележащие слои в момент их расплавления.

По уровню содержания водорода сварочные материалы делятся на три группы: с высоким, средним и низким содержанием водорода. Им соответственно присваивается индекс «Н», «НН» и «ННН». Определние содержания водорода следует производить вакуумным и глицериновым методом. Допустимые значения содержания для каждой группы сварочных материалов приведены ниже.

Содержание Н₂ в наплавленном металле, см³,100г

Вакуумный Глицериновый

Н 15 10

НН 8 5

ННН 5 не применяется

Сера является вредной примесью, т.к. образует с железом сульфид, который имеет температуру плавления (1193°С) более низкую, чем сталь. Поэтому при затвердевании шва сульфид остается еще в жидком виде в прослойках между кристаллами сплава и является причиной1 образования горячих трещин при сварке. Серу удаляют введением марганца, который образует свой сульфид не растворяющийся в жидком металле и полностью переходящем в шлак. Удалению серы способствует также окись кальция.

Фосфор вызывает неоднородность металла шва, рост зерен и снижение пластичности особенно при низких температурах. Он присутствует в виде фосфидов, которые переходят в шлак. Основные шлаки лучше удаляют фосфор из металла, чем кислые.

Дата добавления: 2014-01-11