Что называется раскислением сварного шва

Раскисление металла при сварке

Раскисление металла при сварке

Раскисление металла при сварке – это процесс удаления из него кислорода любыми путями.

Необходимость раскисления объясняется неизбежностью некоторого окисления металла газовой или шлаковой фазами и сваркой недостаточно раскисленных сталей (кипящих или полуспокойных). Так, при сварке углеродистых кипящих сталей проволокой марок Св-08, Св-08А или Св-08АА даже в аргоне в хвостовой части сварочной ванны будет протекать реакция восстановления железа углеродом:

[C] + [FeO] = [Fe] + CO ­. (4.27)

Нерастворимая в жидком металле окись углерода может не успеть выделиться из кристаллизующегося металла сварочной ванны. Образуются поры – газовые включения. Чтобы не допустить выгорания углерода в металле сварочной ванны надо иметь не менее 0,15 % кремния и 0,75 % марганца.

Раскисление металла может идти двумя путями – химическим (осаждающее раскисление) и физическим (диффузионное раскисление).

При химическом раскислении реакция протекает по следующей схеме:

[FeO] + [Pa] = (PaO) + [Fe]. (4.28)

Продукты раскисления (PaO) нерастворимы в металле (как бы выпадают в осадок, поэтому и называют осаждающим раскислением), а растворимы в шлаке.

Элементы-раскислители должны иметь сродство к кислороду больше, чем раскисляемый элемент. Окисел раскислителя должен быть конденсированным, нерастворимым в металле, а растворимым в шлаке. Температура плавления окисла должна быть ниже температуры плавления раскисляемого металла, а удельный вес меньше удельного веса металла.

Обычно для химического раскисления применяют не менее двух раскислителей. Это объясняется следующим:

– ни один раскислитель не может полностью удалить кислород, так как реакция всегда идет до равновесного состояния;

– при наличии двух раскислителей в передней части сварочной ванны действует более сильный раскислитель, в хвостовой – менее сильный. При наличии только одного раскислителя по мере его сгорания в хвостовой части сварочной ванны усиливается реакция выгорания углерода, что может привести к пористости металла шва;

– применяемые раскислители должны образовавать разные по своему характеру оксиды (кислотные и основные или основные и амфотерные), чтобы взаимодействуя между собой, они образовывали комплексные соединения, легко растворимые в шлаке. В этом случае удается вывести в шлаковую фазу большую часть эндогенных продуктов реакции раскисления.

Для химического раскисления сталей углерод обычно не используют, так как углерод:

– приводит к пористости металла шва;

– способствует образованию как холодных, так и горячих трещин при содержании в сталях более 0,2 %;

– увеличивает радиационную хрупкость металла;

– увеличивает склонность нержавеющих сталей к межкристаллитной коррозии;

– при увеличении своего содержания в сталях на 0,1 % повышает порог хладноломкости на 20 0 С;

– способствует крупнокапельному переносу электродного металла.

Поэтому обычно при сварке сталей содержание углерода в сварочной проволоке не превышает 0,12 %.

Для раскисления сталей чаще всего применяют кремний и марганец. Например, для сварки низкоуглеродистых сталей используют сварочные проволоки Св-08ГА, Св-10ГА, Св-10Г2, Св-10ГС, Св-12ГС.

Вводить Si и Mn в сварочную ванну можно из электродного покрытия или керамического флюса, где данные элементы содержатся в виде ферросплавов – Fe-Mn, Fe-Si. В составе керамического (неплавленного) флюса содержание металлических добавок ограничивают до 20 % во избежание перехода дугового процесса в электрошлаковый.

Введение Si и Mn в сварочную ванну в небольших количествах (до 1%) возможно за счет восстановительных процессов. Для перехода из флюса кремния в сварочную ванну в количестве (0,1 ¸ 0,2) % необходимо иметь во флюсе двуокиси кремния не менее (40 ¸ 45) %. Для перехода марганца из флюса в сварочную ванну в количестве (0,3 ¸ 0,4) % надо иметь во флюсе закиси марганца не менее (35 ¸ 38) %.

При использовании бескремнистого флюса, содержащего двуокись титана TiO₂ = (10 ¸ 20) %, возможен переход титана в сварочную ванну в количестве (0,02 ¸ 0,10) %.

Диффузионное (физическое) раскисление основано на образовании комплексных оксидов на поверхности раздела фаз шлак-металл. Образовавшиеся комплексные соединения переходят в шлаковую фазу. Для удаления FeO из сталей необходимо иметь в шлаке свободные кислотные оксиды – SiO₂ или TiO₂. Реакция протекает следующим образом:

Диффузионное раскисление протекает медленно. С увеличением содержания в шлаке SiO₂ шлак становится густым, длинным, малоподвижным. Для увеличения его химической активности повышают содержание в нем CaF₂ или заменяют часть SiO₂ на TiO₂. По своему характеру SiO₂ и TiO₂ сильные кислотные оксиды, но если SiO₂ увеличивает вязкость шлака, то TiO₂ ее уменьшает. Кроме того, замена SiO₂ на TiO₂ улучшает сварочно-гигиенические условия труда, так как образующийся при изготовлении флюса и в процессе сварки SiF₄ существует в газообразном состоянии до температуры –95 0 С, а ТiF₄ – только до +290 0 С. Следовательно, в зоне дыхания сварщика ТiF₄ будет отсутствовать.

Для повышения химической активности шлака его еще могут раскислять, например, следующим образом:

Диффузионное раскисление в процессе сварки не играет большой роли, оно сопровождает химическое раскисление, способствуя большему удалению продуктов раскисления из сварочной ванны.

Раскисление цветных металлов осуществляется как и сталей химическим и диффузионным путем.

При сварке медных сплавов в принципе можно использовать те же раскислители, что и при сварке сталей, так как сродство меди к кислороду меньше, чем у железа. Но коэффициент теплопроводности меди почти в 10 раз больше, чем у низкоуглеродистых сталей. Поэтому скорость охлаждения больше, а время существования сварочной ванны соответственно меньше. Следовательно, для лучшего раскисления надо применять более сильные раскислители.

Диффузионное раскисление осуществляется за счет использования во флюсах борной кислоты Н₃ВО₃ или буры Na₂B₄O₇×10H₂O. В этом случае образуются бораты ZnO×B₂O₃, Cu₂O×B₂O₃, MnO×2B₂O₃, удаляемые в шлаковую фазу.

Никелевые сплавы используются главным образом в химической промышленности. Поэтому в металле шва не должно быть шлаковых включений. Никель имеет высокую чувствительность к примесям (прежде всего к углероду и сере) и растворенным газам. Сварка в среде аргона в настоящее время является основным способом сварки никеля и его сплавов. При этом применяют комплексное легирование титаном, алюминием, кремнием, марганцем (£ 1,5 %), магнием (£ 0,1 %) путем использования соответствующей проволоки.

Титан и его сплавы раскисляют только соответствующей проволокой.

Используют комплексное легирование алюминием (до 1%), цирконием (до 1%), рением (Re £ 0,2 %), редкоземельными металлами (иттрием U, гадолинием Gd), гафнием Hf.

Алюминий и его сплавы раскисляют растворением алюминиевой пленки во флюсе. Входящий во флюс криолит – Na₃AlF₆ при температуре 1000 0 С (средняя температура сварочной ванны при дуговой сварке алюминия) растворяет до 20 % от своего веса Al₂O₃. Входящие в состав флюсов фтористые и хлористые соли приводят к образованию HCl и HF, которые переводят Al₂O₃ в летучее соединение. Кроме того, при взаимодействии Al₂O₃ с фтористыми солями образуется оксифторид алюминия переменного состава Al_xO_yF_z, легко растворяющийся в шлаке.

Серия статей МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ:

Источник

ПРОЦЕССЫ РАСКИСЛЕНИЯ МЕТАЛЛА ПРИ СВАРКЕ ПЛАВЛЕНИЕМ

Ранее отмечалось, что при повышенном содержании кислорода, как правило, свойства металла ухудшаются. В связи с тем что в условиях сварки обычно создается благоприятная обстановка для повышения концентрации кислорода в расплавленном металле, одним из весьма важных процессов является раскисление металла.

Раскисление — это процесс удаления из жидкого металла кислорбда (как растворенного в основе сплава, так и в виде хими­ческих соединений с другими элементами). Удалить кислород из металла можно воздействием раскислителей (осаждающее раскисление) или шлаков (диффузионное раскисление). Общая схема воздействия раскислителей отмечена в § 31. Раскис — і лителями являются элементы, которые при температуре процесса, и соответствующей ей концентрации обладают большим сродством к кислороду, чем элемент-основа сплава и его легирующие состав­ляющие.

Раскислители в результате взаимодействия с окисленным металлом при осаждающем раскислении могут образовывать либо газообразные, либо конденсированные (жидкие, твердые) продукты реакции.

Реакция раскисления в общем виде может быть представлена как

[MeACg — fz[Ra]=x [Me]+(Ra/)y),

где [МехОу] — концентрация окисла основы сплава Me; Ra — обоз чение элемента раскислителя.

Константа такой реакции

К=[Ме]х [Ra/)y]/[RaJ* [МеяОу].

Решая относительно [МехОу], получаем

[МехОу]=[Ме]А ]Ra2Oy]//( [Raj*. (V.51)

В связи с тем что при восстановлении некоторого количества окисла Me концентрация основы сплава практически не изменится, можно считать [Me]-* величиной постоянной амеі»і).

Окисел раскислителя как правило, чало растворим в металле и удаляется в шлак. Его растворимость в металле тогда определится константой распреде­ления ^На2оу—(Ra2Oy)/ [Ra, Оу] и не зависит от концентрации [МелОу] и [Raj. Поэтому можно считать [Ra20 ] величиной, вводимой в по-

у ] _ _
стоянную. Тогда —[MeR[Ra2Oy]

можно считать другой постоянной К’. В этом случае из уравнения (V.51) получим

[Ме*Оу] [Ra]*-const. (V.52)

В связи с тем что [МежОу] ха­рактеризует по существу раство­ренный в металле кислород, то связь между этим кислородом и количеством раскислителя определяется зависимостями типа раз­личных гипербол. Схема таких гипербол изображена на рис. V.33. Например, при x

в графическом изображении, при масштабе ординат по отношению к масштабу абсцисс как 1 : К гипербола является симметричной (линия І). При х=у—г/2-І характер гиперболы изображен линией 2.

Из приведенных зависимостей следует, что для уменьшения содержания растворенного в металле кислорода количество раскис­лителя должно увеличиваться.

В связи с кратковременностью процессов обработки жидкого металла в сварочной ванне равновесие при сварке не достигается и количество раскислителя следует брать большим, чем при равно­весных условиях (см. § 30 и 31).

Равновесие реакции (V.49) зависит от температуры. Так, для экзотермичных реакций раскисления равновесные соотношения [МехОу] и [Ra] при повышении температуры смещаются в сторону увеличения [Ra] для тех же концентраций [Ме^ОД а для эндотер — мичных — наоборот. Снижение температур действует в противопо­ложную сторону, т. е., например, для экзотермичных реакций для тех же равновесных значений [MexOyj концентрация [Ra] может быть меньшей.

Рассмотрим раскисление с образованием газообразных продуктов реакции. Наиболее характерной из таких реакций является раскис­ление углеродом, например, при сварке сплавов на железной основе [FeO]-f'[C]=CO+[Fe]. Растворимость окиси углерода в рас­плавленном железе ничтожна’; практически ее можно считать нерас­творимой. Вследствие этого образующаяся окись углерода выде­ляется в виде пузырьков, стремящихся всплыть из сварочной ванны. Равновесная концентрация закиси железа в сварочной ванне понижается при повышении концентрации в металле угле­рода (см. рис. V.9).

При высоких температурах активность действия углерода как’ раскислителя весьма высока. Повышение его активности при сни­жении температуры меньшее, чем ряда других раскислителей (напри­мер, Ті, Si, Мп и др.), что качественно следует из рис. II. б, II.7. Поэтому его раскисляющая способность при понижении температуры относительно снижается.

Выделяющиеся газовые пузыри вызывают кипение сварочной ванны. Если реакция раскисления углеродом продолжается и при снижении температуры до температуры кристаллизации металла, то это может привести к тому, что газовые пузыри не успеют удалиться из металла и останутся в твердом металле в виде пор. Поэтому всегда желательно подавить эту реакцию при понижении температуры сварочной ванны доугими реакциями раскисления, при которых газы не выделяются. Это достигается повышением концентрации других раскислителей (Ті, Si, Мп и др.) в металле и понижением концентрации углерода. В связи с этим при сварке стремятся иметь в сварочной ванне невысокую концентрацию угле­рода, применяя низкоуглеродистый добавочный металл, особенно если в металле нет достаточного количества других сильных раскислителей (например, Ті, А1).

Раскисление углеродом, однако, имеет большое значение и при этих ограничениях, так как в виде окисла углерода из металла уносится значительное количество кислорода. Представление о роли углерода в раскислении сварочной ванны дают расчеты, приведен­ные в табл. V.19.

Аналогичные процессы раскисления с образованием газообразной фазы могут происходить при взаимодействии окисленного металла с водородом. Особенно сильное влияние на свойства сварного соединения такое раскисление оказывает при сварке меди.

Весьма важными являются процессы раскисления с получением конденсированных продуктов реакции.

При раскислении металла раскислителями, дающими конденси­рованные продукты реакции, степень раскисления зависит от ряда факторов. Так, например, зависимость степени раскисления от кон­центрации раскислителя в металле определяется формулой (V.52). Наличие окисла раскислителя Ra^ в растворе влияет на процесс раскисления согласно формуле (V.51). Увеличение содержания RazOy в металле (а следовательно, и в шлаке согласно константе распределения LRa 0 ) ослабляет действие раскислителя Ra. Напри-

мер, раскисление сварочной ванны при сварке сплава на железной основе производится Мп, Si, Ті и А1. Окислы этих же элементов имеют достаточно высокую температуру плавления от

до 2050 °С. Образующиеся’ окислы в сварочной ванне будут либо твердыми, либо расплавленными. В наибольшей части объема сва­рочной ванны эти окислы выпадают в твердом состоянии, что определяет их размеры. В основном это мелкие, дисперсные твердые (или твердо-жидкие) частицы в металлическом расплаве.

Степень очистки металла от неметаллических (окисных) включе­ний в значительной степени определяет и конечные свойства остыв­шего металла. Общая зависимость ударной вязкости металла шва, соответствующего по составу низкоуглеродистой стали, от содер­жания в нем силикатных включений представлена на рис V. 34. Как следует из этой зависимости, ударная вязкость металла швов

понижается при увеличении содержания в нем включений окислов раскислителей. Поэтому задачей раскисления является не только связывание кислорода, растворенного в металле, но и удаление окислов из металла в шлак. Общие принципы такого удаления изложены в предыдущем параграфе. Следовательно, применение шлаков и раскислителей, дающих тугоплавкие, малокоагулирующие окислы, остающиеся в дисперсном состоянии в сварочной ванне в период ее кристаллизации, является нежелательным. С точки

зрения конечных свойств металла нежелательно иметь в нем неметаллические включения остроугольной формы.

Некоторые закономерности превентивного связывания кислорода покрытия и раскисления металла при сварке электродами с покры­тиями фтористокальциевого вида могут быть рассмотрены на основе экспериментальных исследований Т. Н. Дубовой. Если в покрытие на базе мрамора (— 50%) и плавикового шпата (—20%) вводить различные количества ферросилиция, то можно получить различные количества кремния, отнесенные к металлической части элект­рода [Si]3. Зависимость количества кремния в наплавленном метал­ле [SiJa. M от [Si|э для этого случая показана на рис. V.35, а. Как следует из рисунка, даже при отсутствии кремния и в прово­локе ([St]a. n ^ 0), ив покрытии, т. е. при [Si]s=0, в наплавленном металле анализом обнаруживается около 0,02—0,05% Si в резуль­тате восстановления SiOz, находящегося в покрытии, и наличия в металле мелких включений Si02.

При увеличении [SiJ3 до 1,7—1,8% от массы металла электрода увеличения [Si]H. M практически не происходит. Это указывает на

то, что такое количество Si тратится на связывание кислорода (раскисление). При дальнейшем увеличении [Si]3 наблюдается прак­тически линейный рост кремния в наплавленном металле.

Если бы при содержании [Si]3> 1,896 весь остальной кремний переходил в наплавленный металл без потерь, то его содержание на рис. V.35, а отвечало бы штриховой линии 2. Заштрихованный треугольник cde показывает дополнительные потери кремния при его большем количестве в электроде.

Основные потери кремния на раскисление определяются коли, чеством кислорода, которое может быть выделено из самого покры­тия. Так как плавиковый шпат практически почти не содержит кислорода, а окислы кремния (из жидкого стекла, кварцевого песка) в качестве окислителя кремния из рассмотрения должны быть исключены, источником кислорода покрытия может быть мрамор. При разложении мрамора согласно реакции (V.131 макси­мальное количество кислорода может быть 16/100 от массы мрамора

02 j. При относительной массе покрытия (100) (56) (28) (16) ‘

0,3 количество освобождаемого кислорода из покрытия к массе металла стержня [О]э=(16/100) 46-0,3=2,2% (где 46 — про­цент содержания CaCOs в покрытии с учетом сухого остатка жид­кого стекла). Для связывания этого количества кислорода ло фор­муле Si +02=SiOs необходимо кремния

[Si [э=[0]э — 28/32=2,2 — 28/32 = 1,9%,

т. е. примерно столько же, сколько по экспериментальным исследо­ваниям уходит на раскисление (1,7—1,8%).

Для связывания такого количества кислорода другими раскис — лителями их количество потребовалось бы другое. Например, для связывания такого количества кислорода по формуле Ti-f

[Ті]3=[0]3-48/32=2,2-48/32=3,3%; а алюминия [ А1]э=2.2 • 54/48 = =2,5%.

Таким образом, для связывания кислорода локрытия количество — титана и алюминия, несмотря на то, что они являются более силь­ными раскислителями, должно быть большим, чем кремния.

На рис. V.35,6 изображена схема содержания кремния и мар­ганца в наплавленном металле в зависимости от — [Si]5 при постоян­ном [Мп]э=2%. Общий характер [Si]K. M=/[Si]s остался при этом таким же, как в предыдущем случае, только начало перегиба сместилось от [Si]s = l,7—1,8% к [Si]3= 1,5—1,6%. До этой кон­центрации [Si]9, когда кремния на раскисление не хватало, марга-

iif‘И также выступал как раскислитель (заптрихованный треуголь­ник ahc). При [Si], > 1,6% содержание |Mn)H. M=const»1,5%. П. пери марганца (прямоугольник bdcf) определяются его выбороч­ным испарением.

Раскисление металла воздействием шлаков (диффузионное) опреде — тстся удалением окислов из металла в шлак. Это удаление может производиться физическим растворением окислов в шлаке и хими­

ческим воздействием составляющих шлака на окислы, которые должны быть удалены из металла.

Схема физического растворения окислов металла шлаком пока­зана на рис. V.36. В металле Me содержится окисел, напри­мер МеО. Такой же окисел имеется в свободном состоянии в — шлаке. Характер перераспределения МеО между металлом и шлаком определяется коэффициентом (константой) распределения £мео— (МеО)/[МеО], зависящим от температуры (и давления). Если к шлаку добавить какие-либо соединения, не реагирующие (слабо — реагируютцие) с металлом, то концентрация свободного окисла (МеО) в шлаке понизится. Такой добавкой количество шлака на рис. V.36, б увеличено вдвое по сравнению с рис. V.36, а. В соответствии с константой распределения МеО начнет переходить в шлак, умень­шая концентрацию этого окисла в металле, т. е. снижая его окис — ленность. При этом окисел МеО должен продиффундировать через какой-то слой металла в шлак.

Аналогичный процесс происходит и в том случае, если МеО в шлаке связан в комплексные соединения. Тогда (МеО) умень­шится, так как на коэффициент распределения влияет только концентрация свободного окисла (МеО), не связанного в комплекс­ные соединения; МеО переходит из металла в шлак также посред­ством диффузии. Общие закономерности такого процесса могут быть определены следующими реакциями и константами:

(Ме’О)+(Ме»02)=(Ме’О — Me»02) (V.53)

Константа «равновесия такой реакции.

К=(Ме’О — Ме»О2)/(Ме’0) — (Ме»02), (V.54)

где Me’О — окисел металла, представляющего, например, основу сплава (форма Ме’О — показывает условно, что это окисел основ­ной); Ме»02 — кислый окисел, * образующий с основным окис­лом Ме’О комплексные соединения, нерастворимые в металле Me’.

Решая это уравнение относительно (Ме’О), что через константу /.ме’о определяет и содержание растворенного кислорода в металле, получаем

(Ме’О)—(Ме’О — Ме»02)/М ■ (Me»02) (V.55)

Следовательно, содержание кислорода в металле, растворенного в виде окисла [Ме’О], тем меньше, чем больше свободного окис­ла Ме»02 в шлаке, а также чем более стойкими являются комплекс­ные соединения (Ме’0-Ме»02), что определяет их меньшую степень диссоциации.

Исходя из этой схемы, например для раскисления ванны сплава на основе железа, для связывания в комплексные соединения окисла FeO основного типа необходим в шлаке окисел кислого типа (обычно Si03). Чем больше концентрация свободного окисла (SiO-2), тем более рас­кисленным будет металл, дающий окислы основного типа. Однако при значительном избытке SiOs кислые шлаки имеют неудовлетво­рительные технологические свойства: они длинные, вязкие, интен­сивность их воздействия уменьшается. Поэтому в ряде случаев является полезным комбинировать взаимодействие шлаков и рас — кислителей, в частности кислых шлаков с марганцем. Такая воз­можность при сварке электродами с покрытиями и при сварке под керамическими флюсами имеется. В частности, возможна реакция

(FeO ■ Si02)+[Mn]=(MnO — Si02)+fFe>, (V.56)

приводящая в конечном счете к восстановлению железа из закиси.

Если в шлаках значительно преобладают окислы основного типа, а кислые окислы в них связаны в комплексные соединения, то при сварке сплавов, образующих основные окислы, процессы раскисления воздействием таких шлаков происходить не могут. В этом случае обязательно применение раскислителей. вводимых в пронесе в свободном (металлическом) состоянии.

Несмотря на кратковременность обработки металла в условиях сварки и недостижимость равновесия во взаимодействии металла с окружающей средой во время снижения температуры и кристал­лизации сварочной ванны, соответствующим подбором состава шлака и раскислителей удается достаточно хорошо раскислить жидкий металл и получить раскисленный металл шва.

Источник

Металлургические процессы при сварке: диссоциация веществ, насыщение металла O, N, H, процессы раскисления, шлакования, рафинирования металла сварного шва.

Распавляемое при сварке электродное покрытие кроме шлака выделяет газы, осуществляя, таким образом, газошлаковую защиту металла. В зависимости от состава покрытия или флюса может выделяться значительное количество газа и меньшее количество шлака, или наоборот. В первом случае покрытиё называют газозашитным, а во втором— шлакозащитным. Обычно применяют смешанную защиту. Металлургическая обработка металла выделяющимися при сварке шлаком и газами заключается в процессах раскисления, легирования и рафинирования металла шва.

Раскисление — это освобождение стали от кислорода, попадающего в ванну из воздуха, покрытий и других источников. В процессе сварки происходит осаждающее раскисление, при котором удаление кислорода из расплавляемого металла капли или ванпы осуществляется реакциями с другими элементами, более активно взаимодействующими с кислородом, чем железо. Удаление кислорода происходит путем восстановления железа из оксида FeO по реакциям:

При этом MnO и SiO2 переходят в шлак, а СО — в атмосферу. Процесс идет беспрерывно: окисление Fe идет в передней части ванны, где температура более высокая, а восстановление железа из оксида — в задней части, где температура более низкая. Наряду с осаждающим раскислением происходит процесс диффузионного раскисления путем реакции между оксидом железа и другими оксидами

FeO, таким образом, связывается в стойкий силикат, который переходит в шлак. При большом содержании в шлаке силиката кремния реакция может пойти в обратную сторону, и металл будет окисляться, растворяя FeO. Поэтому содержание 5Юг в шлаке должно быть в количестве, необходимом для диффузионного раскисления. Следует иметь в виду, что SiO2 делает шлак «длинным», малоподвижным и ухудшает его газопроницаемость. При необходимости добавляют в покрытие другие материалы, повышающие жидкотекучесть шлака. Из приведенных выше химических реакций видно, что раскисление металла при сварке осуществляется при введении в покрытие химических элементов-раскислителей: Mn, Si, Al, T и др. в виде порошка или ферросплавов (сплавов с железом), а также при увеличении содержания этих элементов в электродных стержнях.

Легирование металла шва различными полезными примесями для улучшения его качества осуществляется путем введения полезных элементов в электродные стержни или проволоку, а также в состав электродного покрытия. Такие элементы, как кобальт, никель и др., полностью усваиваются наплавленным металлом. Элементы Мп и Si, участвующие в раскислении, при их достаточной концентрации в шлаке в электродном металле также частично усваиваются, переходя в сварной шов.

Рафинирование металла шва заключается в освобождении его от вредных примесей, главным образом от серы и фосфора, которые попадают в ванну из основного металла, электродного стержня и покрытия, проволоки и флюса. Сера может остаться в шве в виде сульфида железа FeS, располагаясь между кристаллами стали. Это приводит к появлению горячих трещин в стали (см. § 9.7). Фосфор, находясь в шве в виде фосфидов Fe3P H^Fe2P, снижает его ударную вязкость, особенно при низкой температуре, поэтому удаление из шва серы и фосфора необходимо. Это осуществляется путем связывания серы и фосфора в химические соединения, не растворимые в стали и удаляемые в шлак, по реакциям:

Сварочные материалы.

При содержании в проволоке менее 1% легирующих элементов ставят только букву этого элемента, если содержание легирующего элемента превышает 1%, то после буквы в целых единицах указывают содержание этого элемента.

Условные обозначения марок проволоки состоят: из индекса Св-сварочная и следующих за ним цифр, показывающих содержание углерода в сотых долях процента и буквенных обозначений элементов, Входящих в состав проволоки. Буква А в конце условных обозначений марок низкоуглеродистой и легированной проволоки указывает на повышенную чистоту металла по содержанию серы и фосфора.

По виду поверхности низкоуглеродистая и легированная проволока подразделяется на неомедненную и омедненную. Последняя поставляется по особому требованию заказчика. Кроме того, по особому требованию заказчика изготовляют проволоку из стали, выплавленной электрошлаковым, вакуум-дуговым или вакуум-индукционным методом.

Различные виды проволоки имеют условное обозначение:

Э- для изготовления электродов;

Ш-полученная из стали, выплавленной электрошлаковым переплавом;

Вд-полученная из стали выплавленной вакуум-дуговым переплавом;

ВИ-полученная из стали, выплавленной в вакуум-индукционной печи.

Поверхность проволоки должна быть чистой без окалины, ржавчины, грязи и масла. Предусматривается выпуск проволоки следующих диаметров, мм: 0.3; 0.5; 0.8; 1.0; 1.2; 1.4; 1.6; 2.0; 3.0; 4.0; 5.0;6.0; 8.0; 10.0; 12.0.

Классификация электродов. Электроды классифицируются по следующим признакам:

по материалу, из которого они изготовлены;

по назначению для сварки определенных сталей;

по толщине покрытия, нанесенного на стержень;

характеру шлака образующегося при расплавлении покрытия;

техническим свойствам металла шва;

по допустимым пространственным положениям сварки или плавки;

по роду и полярности применяемого при сварке или наплавке тока.

Применение электродов должно обеспечивать следующие необходимые технические условия: легкое зажигание и устойчивое горение дуги, равномерное расплавление покрытия, равномерное покрытие шва шлаком, легкое удаление шлака после сварки, отсутствие непроваров, пор, трещин в металле шва.

По видам покрытия электроды подразделяются:

При покрытии смешанного вида используют соответствующее двойное условие обозначение.

Имеется ряд особенностей металлургических процессов при сварке под флюсом. Особенно интенсивно протекают металлургические процессы между жидким (расплавленным) флюсом и металлом, в результате чего изменяется состав металла шва. Сварку низкоуглеродистых сталей рекомендуется проводить под марганцовистыми высококремнистыми флюсами, где наблюдается процесс восстановления кремния и марганца, частичное окисление углерода, при этом оксид железа растворяется в жидком металле шва, частично переходит в шлак.

На участках сварочной ванны позади дуги при охлаждении жидкого металла, вплоть до затвердевания, продолжается раскисление металла. Кремний и марганец подавляют реакцию окисления углерода, что уменьшает образование пор. Обогащение металла марганцем очень важно, так как он обеспечивает вывод сернистых соединений из металла шва, предупреждая тем самым появление горячих трещин.

Изменение режима сварки влияет на содержание серы и фосфора в шве. При увеличении сварочного тока увеличивается количество расплавленного флюса и, как следствие, содержание фосфора в шве уменьшается, а содержание серы несколько возрастает. Повышение напряжения дуги при неизменном токе приводит к тому, что расплавленного флюса становится значительно больше, чем требуется для защиты расплавленного металла. В этом случае увеличивается переход марганца и кремния в шов, но увеличивается и переход фосфора в металл шва.

Одновременно содержание серы в металле шва уменьшается. Таким образом, невозможно идеально освободиться от вредных примесей. Улучшения качества сварного шва можно добиться за счет применения керамических флюсов.

Керамические флюсы содержат большое количество ферросплавов, что позволяет улучшить металлургические процессы при сварке. В процессе сварки происходит более полное раскисление наплавленного металла, легирование наплавленного металла осуществляется в широких пределах.

При сварке в инертных газах металлургические процессы протекают только между элементами, содержащимися в металле сварочной ванны. Кислород и азот воздуха оттесняются инертными газами из зоны сварки.

Для предотвращения образования пористости шва при сварке в инертных газах необходимо тщательно удалять ржавчину и загрязнения с кромок основного металла и с поверхности сварочной проволоки.

При сварке в С02 газ оттесняет от сварочной зоны окружающий воздух и защищает расплавленный металл от проникновения азота. При сварке С02 углекислый газ распадается под воздействием высокой температуры на СО и 02. Дуга активно окисляет металл сварочной ванны, и роль СО2 сводится лишь к защите сварочной ванны от проникновения азота из воздуха. Для предотвращения чрезмерного окисления железа большое количество элементов раскислителей (марганец и кремний) вводится в сварочную ванну только через сварочную проволоку Се-08ГС и Св-08Г2С. В этом случае наплавленный металл получается с высокими механическими свойствами.

Для уменьшения содержания водорода в металле шва необходима добавка в углекислый газ 5-15% кислорода. При этом в процессе сварки увеличивается глубина противления, так как энергичнее протекают реакции окисления марганца и кремния с выделением теплоты.

Тепловые процессы

При конструировании сварных изделий необходимо учитывать, что в процессе сварки возникают сварочные напряжения, в результате которых происходит коробление элементов конструкций, могут возникать горячие и холодные трещины в металле сварного шва и околошовной зоны. По этой причине при выполнении сварочных и наплавочных работ необходимо правильно выбирать оптимальные режимы сварки.

Сварочная дуга является концентрированным источником тепловой энергии, полную тепловую мощность можно посчитать по формуле

Однако не вся тепловая энергия вводится в плавящийся электрод и свариваемый металл; часть ее теряется в окружающей среде.

Тепловая мощность, которая полезно используется при сварке, называется эффективной тепловой мощностью и рассчитывается по формуле

ή = 0,75 при ручной дуговой сварке, ή. = 0,85 при автоматической сварке под флюсом.

Тепловая энергия вводимая в единицу длины сварного шва, называется погонной энергией и зависит от двух параметров: эффективной тепловой мощности и скорости сварки. Она подсчитывается по формуле

где Qпог » погонная энергия, Дж/м;

Причины возникновения напряжений в сварных конструкциях следующие:

-неравномерность нагрева металла,

-фазовые (структурные) превращения, происходящие в сварном шве и околошовной зоне.

Неравномерный нагрев и изменение объема металла вследствие температурного расширения, фазовых превращений, структурных превращений приводят к возникновению упругих и пластических деформаций. В результате пластических деформаций остаются напряжения, которые называются остаточными напряжениями. Это может привести как к короблению сварной конструкции, так и возникновению сварочных трещин. Мерами по предотвращению возникновения напряжений и, как следствие, деформаций являются следующие мероприятия.

Холодные трещины — локальное межкристаллическое разрушение металла сварных соединений, возникающие под действием собственных сварочных напряжений. Формальными признаками холодных трещин, отличающими их от горячих, являются факт обнаружения трещин при визуальном наблюдении, как правило, после полного охлаждения сварного соединения и блестящий излом без следов высокотемпературного окисления.

Горячие трещины при сварке — хрупкие межкристаллические разрушения металла шва и зоны термического влияния, возникающие в твёрдо-жидком состоянии при завершении кристаллизации, а также в твёрдом состоянии при высоких температурах на этапе преимущественного развития межзёренной деформации. Они могут возникать при неблагоприятном сочетании некоторых факторов, связанных с понижением деформационной способности металла вследствие наличия в структуре легкоплавких эвтектик, дефектов кристаллического строения, выделения хрупких фаз, включения водорода (водородная болезнь) и т. д.

КОНТАКТНАЯ СВАРКА

Контактная сварка относится к видам сварки с кратковременным нагревом места соединения без оплавления или с оплавлением и осадкой разогретых заготовок. Характерная особенность этих процессов — пластическая деформация, в ходе которой формируется сварное соединение.

Место соединения разогревается проходящим по металлу электрическим током, причем максимальное количество теплоты выделяется в месте сварочного контакта (рис. 5.24). Количество выделяемой теплоты определяется законом Джоуля — Ленца:

где Q — количество теплоты, выделяемое в сварочном контуре, Дж; R — полное электросопротивление сварочного контура, Ом; I — сварочный ток, А; t — время протекания тока, с.

Полное электросопротивление сварочного контура R состоит из электросопротивлений выступающих концов L, свариваемых заготовок Rзаг, сварочного контакта Rк и электросопротивления между электродами и заготовками Яэл, т. е,

Контактную сварку классифицируют по типу сварного соединения, определяющего вид сварочной машины, и по роду тока, питающего сварочный трансформатор. По типу сварного соединения различают сварку стыковую, точечную и шовную.

Стыковая сварка — разновидность контактной сварки, при которой заготовки свариваются по всей поверхности соприкосновения. Свариваемые заготовки закрепляют в зажимах стыковой машины (рис. 5.26). Зажим 3 установлен на подвижной плите 4, перемещающейся в направляющих, зажим 2 укреплен на неподвижной плите 1. Сварочный трансформатор соединен с плитами гибкими шинами и питается от сети через включающее устройство. Плиты перемещаются, и заготовки сжимаются под действием усилия Р, развиваемого механизмом осадки,

Точечная сварка — разновидность контактной сварки, при которой заготовки соединяются в отдельных точках. При точечной сварке заготовки собирают внахлестку и зажимают с усилием Р между двумя электродами, подводящими ток к месту сварки (рис. 5.31). Соприкасающиеся с медными электродами поверхности свариваемых заготовок нагреваются медленнее их внутренних слоев. Нагрев продолжают до пластического состояния внешних слоев и до расплавления внутренних слоев. Затем выключают ток и снимают давление. В результате образуется литая сварная точка.

Точечная сварка в зависимости от расположения электродов по отношению к свариваемым заготовкам может быть двусторонней и односторонней. При двусторонней сварке (рис. 5.31, а) две (или больше) заготовки 1 сжимают между электродами 2 точечной машины. При односторонней сварке (рис. 5.31, б) ток распределяется между верхним и нижним листами 3 и 4, причем нагрев осуществляется частью тока, протекающего через нижний лист. Для увеличения тока, проходящего через нижний лист, предусмотрена

медная подкладка 5. Односторонней сваркой можно соединять заготовки одновременно двумя точками. Параметры режима точечной сварки: удельное усилие сжатия, МПа; плотность тока j, А/мм2; время протекания тока t, с.

Шовная сварка — разновидность контактной сварки, при которой между свариваемыми заготовками образуется прочное и плотное соединение. Электроды выполняют в виде плоских роликов, между которыми пропускают свариваемые заготовки.

В процессе шовной сварки листовые заготовки 1 соединяют внахлестку, зажимают между электродами 2 (рис. 5.35) и пропускают ток. При движении роликов по заготовкам образуются перекрывающие друг друга сварные точки, в результате чего получается сплошной герметичный шов. Шовную сварку, так же как и точечную, можно выполнить при двустороннем а и одностороннем б расположениях электродов.

Источник