Повышенное содержание водорода в металле шва приводит к

Обновлено: 05.07.2024

Водород оказывает значительное влияние на свойства металлов и на процессы сварки, что часто недооценивается в должной степени при разработке и построении технологических процессов сварки. Дефекты в сварных соединениях, возникающие из-за влияния водорода, нередко относят за счет других причин, если не уделяют этому вопросу должного внимания.

Влияние водорода на свойства сварных соединений весьма сложно и иногда носит случайный характер, а именно: при незначительном изменении состава металла (газонасыщенности) в сварном соединении вдруг появляются дефекты (поры, трещины), которые потом могут исчезнуть также при незначительном изменении условий (другой партии металла, изменении режима прокалки электродов и т. д.).

При выполнении ответственных сооружений и конструкций случайности недопустимы, поэтому в последние годы появилось большое количество работ, посвященных исследованию влияния водорода на свойства металлов в процессе сварки и на прочность сварных соединений.

Поведение водорода при сварке различных металлов различно. Например, допустимое количество водорода в стали будет недопустимо высоким для медных или алюминиевых сплавов.

Сложный процесс образования сварного соединения при сварке плавлением, оказывающий сильнейшее термомеханическое воздействие па свариваемый металл, затрудняет рассмотрение влияния водорода, делая неясными причины возникновения в сварном соединении тех или иных дефектов, образовавшихся под действием ряда факторов одновременно.

Тем не менее, зная свойства водорода и его влияние на процессы сварки плавлением, можно в большинстве случаев предотвратить появление в металле шва и в зоне термического влияния таких дефектов, как поры и трещины, или уменьшить вероятность их возникновения.

Растворение водорода в сварочной ванне и неполное выделение его в процессе кристаллизации п дальнейшего охлаждения металла шва может привести к целому ряду дефектов, важнейшими из которых являются следующие:

а) Образование пор в металле шва. При охлаждении жидкого металла шва, в особенности в период кристаллизации (тыльная часть сварочной ванны), последний оказывается перенасыщенным водородом, что приводит к его выделению по реакции
2[H] = H₂.

Так как молекулярный водород нерастворим в металле, его выделение из кристаллизующегося металла может явиться одним из основных факторов, обусловливающих возникновение и развитие пор в металле шва.

б) Образование микротрещин в металле шва и зоне сплавления. Процесс выделения водорода не прекращается и по окончанию кристализации металла. Даже при комнатной температуре он протекает с ощутимой скоростью. Вместе с тем процесс растворения происходит чрезвычайно медленно и получает сколько-нибудь заметное развитие только при нагреве металла до 250--300° С и выше. Поэтому при комнатной температуре не перенасыщенного водородом металла происходит выделение его не только во внешнюю среду, но в значительной степени в микроскопические и субмикроскопические полости (поры), всегда имеющиеся в твердом металле. Это приводит к повышению в них давления, создаваемого молекулярным водородом. Уровень давления молекулярного водорода ограничивается величиной K (уравнение (2)). Учитывая, что растворимость водорода при 20 ° С и =1 ата составляет ~см 3 /100 Г и принимая во внимание данные табл. 1, следует прийти к выводу, что при некоторых процессах сварки степень перенасыщения может в 100 раз превышать предельную растворимость водорода. При этих условиях, исходя из равенства (2), равновесное давление молекулярного водорода в полостях должно составлять 100 2 = 10 000 ата. Замечено, что сварка малоуглеродистой стало электродами с влажным покрытием или применение недостаточно просушенных флюсов может привести к образованию небольших трещин-надрывов протяженностью до 0,3 мм и выше в том случае, когда наплавленный валик проходит температурный интервал 150--200° С с большой скоростью (например, при сварке без подогрева металла большой толщины на ограниченных режимах) Большинство этих надрывов ориентировано в направлении, перпендикулярной к поверхности свариваемых элементов. Указанные дефекты вызывают местные разрушения материала из-за чрезмерно высоких давлений молекулярного водорода в микропорах (микрополостях).
в) Макротрещины в металле шва. Вследствие достаточной пластичности металла шва на малоуглеродистых сталях микронадрывы, по-видимому, не могут развиваться в макротрещины (кроме случаев сварки толстостенных элементов, когда возникает объемно-напряженное состояние материала). Однако при сварке легированных перлитных сталей, претерпевающих мартенситное или бейнитное превращения в околошовной зоне, в сварных соединениях, содержавших в достаточно высоких концентрациях легирующие примеси, микронадрывы могут развиваться в макротрещииы. Это обусловлено такими факторами, как, а)снижение температуры превращения у>?, вызванное содержанием в металле шва легирующих элементов и водорода; б) относительно меньшее, вследствие этого выделение водорода в процессе охлаждения металла шва до температуры образования микротрещин, связанное с более высокой его растворимостью в у-железе и соответственно более полным его выделением при температуре образования надрывов или при дальнейшем охлаждении; в) повышенная концентрация С, приводящая к возможному образованию мартенсита и возникновению структурных напряжений._в

Влияние водорода на образование трещин в сварных соединениях из сталей имеющих различное эквивалентное содержание углерода, приведено на рис. 1 и 2. Как видно из этих фигур, возрастание эквивалента углерода в свариваемой стали значительно усиливает влияние водорода на склонность к образованию трещин.

г)Образование холодных трещин в околошовной зоне. При дуговой сварке легированных сталей, воспринимающих закалку, в околошонной зоне иногда наблюдается образование трещин, располагающихся примерно параллельно границе сплавления (Рис. 1). Это явление особенно часто наблюдается при сварке легированных сталей малоуглеродистыми электродами с покрытием, содержащим органические компоненты и поэтому выделяющим значительные количества водорода. Образование холодных трещин часто связывают с диффузией водорода из металла шва в околошовную зону. В случае использования для сварки легированных сталей малоуглеродистых электродов, имеющих в покрытии водородосодержащие вещества, металл шва после завершения процесса кристаллизации может содержать значительные количества водорода.

Рис.1 Влияние содержания водорода в шве при сварке под флюсом на образование трещин при различном эквиваленте углерода в основном металле

Превращение у >? в металле шва будет происходить в более ранние моменты времени, чем в околошовной зоне (из-за меньшей степени легирования первого и соответственно меньшей устойчивости аустенита в нем). Вследствие скачкообразного снижения растворимости водорода при превращений у -- а создаются благоприятные условия для его диффузии в околошовную зону, пока еще находящуюся в состоянии твердого раствора. При дальнейшем распаде аустенита в околошовной зоне водород концентрируется в остаточных его объемах и при завершении этого процесса «выталкивается» в микропустоты, созданвая значительные давления. Эти давления в сочетании со структурными и термическими напряжениями и вызывают образование холодных трещин в околошовной зоне.

Рис. 2 Влияние содержания водорода в шве при ручной сварке на образование трещин при различном эквиваленте углерода в основном металле

д) Образование «рыбьих глаз» (сварочных флокенов). Особый дефект сварных швов, получивший название «рыбьи глаза» встречается на поверхности излома разрывных и загибных образцов (разрушившихся по металлу шва). Эти дефекты выявляются в виде светлого диска небольшого диаметра с очень малой полостью в центральной его части.

Светлый цвет излома в месте этих дефектов свидетельствует о наличии хрупкого разрушения связанного с наличием очень больших давлений молекулярною водорода в полости.

Рис. 3 (схема). Образование околошовных трещин Заштрихованные участки соответствуют структуре закалки.

«Рыбьи глаза» отличаются от микронадрывов тем, что они обнаруживаются только на изломах образцов, прошедших испытания в условиях относительно медленной пластической деформации. При испытаниях, вызывающих быструю пластическую деформацию (например, испытание на ударную вязкость), изломы образцов не сопровождаются «образованием рыбьих глаз». Наличие этих дефектов в изломе образцов обычно вызывает снижение пластических характеристик металла шва (относительное удлинение и относительное сужение).

По современным воззрениям, при медленной деформации металла шва, содержащего в достаточном количестве водород, происходит усиленная его диффузия относительно крупные полости из бесчисленных дислокаций, содержащих высокие концентрации водорода, а также из микропор содержащих молекулярный водород при больших давлениях, чем относительно крупные полости (мелкие полости заполняются водородом быстрее, чем крупные). Эта диффузия становится возможной из-за локального повышения температуры металла вдоль плоскостей скольжения, по которым и происходят перемещение атомов водорода.

Сказанное относительно природы образования «рыбьих глаз» позволяв прийти к выводу о том, что удаление водорода из металла шва длительной выдержкой при комнатной температуре или более короткой выдержкой при 250^ 300°С позволяет ликвидировать склонность к образованию указанных дефектов и соответственно повысить пластические свойства металла шва. Это подтверждается опытными данными, приведенными на Рис. 4. Такого рода термическая обработка оказывает благоприятное действие на усталостную прочность металла шва (Рис. 5).

Рис. 4 Влияние отпуска при 250°С на пластичность сварных швов 1 и 2 -- ильменитовые электроды, 3 -- целлюлозные электроды; 4 -- рутиловые электроды. 5 -- электроды основного типа.

Рис. 5. Влияние отпуска для удаления водорода (250°С, 8 час.) на усталостную прочность металла шва.

е)Образование горячих (кристаллизационных) трещин при сварке аустенитиых сталей. Горячие трещины в аустенитных швах могут быть вызваны водородом. Так, при сварке тавровых образцов из стали Х23Н23М3Д3 (Э11-533) электродной проволокой, состав которой близок к составу основного металла, под флюсом АН-23 горячие трещины не наблюдались. Но после того как электродная проволока была посредством катодного травления искусственно наводорожена, в швах появились горячие трещины. Механизм воздействия водорода на процесс образования и развития горячих (кристаллизационных) трещин еще не изучен.

Повышенное содержание водорода в металле шва приводит к

Тестовые задания по профессии
"Электросварщик ручной сварки"
для сертификации профессиональной квалификации
выпускников учреждений НПО

Общий блок
профессия "Электросварщик ручной сварки"

Текст вопроса	Правильный ответ
Материаловедение
1. В чем заключается сложность при сварке меди? а) повышенные теплопроводность и электропроводность б) повышенные теплопроводность и жидкотекучесть в) повышенные жидкотекучесть и электропроводность	б
2. Какое влияние оказывает повышение содержания углерода на свойства железоуглеродистых сплавов? а) увеличивает твердость б) увеличивает пластичность в) увеличивает ударную вязкость	а
3. При введении какого элемента происходит удаление из металла шва водорода? а) титан б) марганец в) фтор г) кислород д) алюминий	в
4. Пластичность низкоуглеродистых сталей определяется: а) содержанием углерода б) содержанием легирующих элементов в) содержанием вредных примесей	а
5. Сплав, содержащий 1% углерода, это а) сталь б) чугун в) железная руда	а
6. Среднеуглеродистые стали содержат углерода в процентах: а) до 0,65% б) свыше 0,6% в) от 0,25–0,45%	в
7. Повышенное содержание водорода в металле шва приводит к: а) упрочнению шва б) изменению его химического состава в) пористости	в
8. Если содержание углерода в стали 0,45%, то сталь относится к: а) высокоуглеродистой б) низкоуглеродистой в) среднеуглеродистой	в
9. К качественной низкоуглеродистой стали относится сталь марки: а) сталь 35 б) сталь 15 в) СТ 2КП г) 30	б
10. Способность материалов сопротивляться действию внешних сил, выдерживать их не разрушаясь – это а) твердость б) прочность в) пластичность	б
11. Свариваемость металлов и сплавов – это а) способность металла и сплава расплавляться б) способность металлов образовывать прочное сварное соединение в) способность расплавлению металла хорошо заполнять полость линейной формы	б
12. Температура плавления – это свойство а) механическое б) физическое в) технологическое	б
13. Как влияет на качество стали фосфор? а) улучшает б) ухудшает в) не влияет никак	б
14. В маркировке легированной стали буквой «Г» обозначается а) медь б) ванадий в) кремний г) марганец	г
15. Количество углерода в стали 20 равно а) 0,20% б) 2% в) 20%	а
16. Сколько углерода содержит сталь 08Х18Н10Т? а) не более 8% б) не более 0,8% в) не более 0,08%	в
Охрана труда
17. Может ли электросварщик произвести подключение к сети сварочного оборудования? а) может б) может с разрешения инструктора в) подключение производит электроперсонал	в
18. Кабина сварочного поста должна иметь высоту: а) не менее 1,50м б) не менее 2м в) не менее 4м	б
19. Перед сваркой емкостей из-под горючих жидкостей необходимо а) промыть водой б) пропарить в) продуть воздухом	б
20. Источники сварочного тока в помещении следует устанавливать не менее а) 0,5м от стен б) 1м от стен в) 1,5м от стен	а
21. Какие условия повышают опасность поражения электрическим током? а) влага на оборудовании и одежде электросварщика б) использование при работе резиновых перчаток в) работа на заземленном сварочном аппарате	а
22. При какой величине электрический ток считается смертельным? а) 0,005А б) 0,1А в) 0,025А	б
Слесарно-сборочные работы
23. Простейшее приспособление для сборки труб под сварку встык а) две вертикальные пластины, приваренные на основании б) уголок и зажимы труб в) упоры, приваренные на основании	б
24. Цель подготовки (зачистки) кромок под сварку: а) получение характерного металлического блеска б) получение качественного сварного шва в) получение заданных геометрических размеров кромки	б
25. Какой инструмент предназначен для удаления шлаковой корки? а) молоток и зубило б) молоток-шлакоотделитель в) шлифовальный круг, закрепленный на пневмомашине	б
26. Ширина зоны, подвергаемой зачистке, составляет не менее: а) 40мм б) 20мм в) 80мм	б
27. Какой инструмент используется для проверки величины зазора при сварке стыкового соединения? а) штангенциркуль б) угольник в) набор щупов г) линейка	в
Черчение
28. Что обозначает условный знак

Текст вопроса	Правильный ответ
Материаловедение
1. Перечислить четыре основных вида термообработки стали	Отпуск, отжиг, закалка, нормализация
2. Вставьте пропущенные слова: "Сталь - это_____________________, в котором___________________содержится до 2%"	Сплав железа с углеродом, углерода
3. Вставьте пропущенные слова: "Чугун – это_____________________, в котором____________________содержится свыше 2%"	Сплав железа с углеродом, углерода
4. При введении какого элемента происходит удаление из металла шва водорода?	фтор
5. Вставьте пропущенное слово: "В маркировке легированной стали буквой "Г" обозначается металл ___________________"	марганец
6. Дополните предложение: "Способность металлов образовывать прочное сварное соединение – это _____________________________"	свариваемость металлов и сплавов
7. Температура плавления стали__________градусов	1200–1500градусов
Охрана труда
8. Соотнести профессиональные опасности и меры защиты а) облучение кожи б) облучение глаза в) поражение током г) поражение дыхательных путей

Уважаемый посетитель, Вы прочитали статью "Тестовые задания - общий блок", которая опубликована в категории "Методические материалы". Если Вам понравилась или пригодилась эта статья, поделитесь ею, пожалуйста, со своими друзьями и знакомыми.

Влияние водорода на качество сварного шва

Процесс электрической сварки плавлением характеризуется химическими реакциями, которые возникают между расплавленным металлом и окружающей средой.

Особенности процессов с водородом при сварке

При переносе металла с электрода в сварочную ванну капли и пары электродного металла и сварочной ванны, нагретые до высоких температур, взаимодействуют с атмосферными и другими газами и жидким шлаком. Поэтому химический состав наплавленного металла может существенно отличаться от химического состава электродов и основного металла. Это, как правило, усугубляется высокой температурой сварочной ванны и малым временем пребывания металла в жидком состоянии.

Таким образом, в процессе сварки в течение короткого промежутка времени происходят сложнейшие процессы взаимодействия различных химических элементов.

Основное влияние на качество сварного шва оказывают кислород, азот и водород. При неправильном ведении процесса сварки водород образует поры в шве, а кислород и азот существенно ухудшают механические свойства наплавленного металла.

Водород поглощается в процессе сварки металлом шва. В отличие от кислорода и азота водород не образует в процессе сварки химических соединений с железом, а лишь растворяется в расплавленном металле. Повышенная растворимость водорода в жидком металле приводит к пористости. Уменьшения содержания водорода в металле шва можно добиться путем предварительного прокаливания толстопокрытых электродов и флюсов, тщательной зачисткой свариваемых кромок от ржавчины, окалины и других загрязнений, предварительным нагревом деталей.

Влияние водорода при сварке

Водород, так же как кислород и азот, растворяется в расплавляемом при сварке металле. Он попадает в металл из воздуха, содержащего пары воды, из влаги покрытия электродов; из ржавчины, находящейся на поверхности металла изделия и электродов.

При высокой температуре влага превращается в пар и диссоциируется с поглощением тепла Q:

Водород содержится также в электродных покрытиях, в таких, как крахмал, целлюлоза и др., а также в самом металле. В небольших количествах он растворим в металле даже при комнатной температуре, однако с повышением температуры его растворимость растет и при переходе металла из твердого состояния в жидкое увеличивается с 0,0007 (8 см 3 на 100 г металла) до 0,0025 % (28 см 3 на 100 г).

Во время сварки при наличии значительного количества водорода во влаге или в покрытии электродов увеличивается разбрызгивание, так как с понижением температуры растворенный в ванне водород бурно выделяется из металла, вызывая его кипение и разбрызгивание. С началом кристаллизации ванны растворимость водорода резко падает, атомарный водород выделяется по реакции

образуя молекулярный водород, который нерастворим в стали и уходит в шлак или атмосферу. Однако скорость кристаллизации может препятствовать удалению всего водорода, и часть его остается в шве в виде наружных и внутренних пор. Процесс выделения водорода из металла происходит и при комнатной температуре в атмосферу и в микроскопические полости, имеющиеся внутри металла.

В результате образуются внутренние поры, в которых накапливается водород, создавая большое давление, что часто приводит к образованию микротрещин и, следовательно, к ухудшению прочностных характеристик наплавленного металла, особенно пластичности и ударной вязкости. При изломе такого металла в нем обнаруживаются так называемые «рыбьи глаза» в виде светлых пятен небольшого диаметра с маленькой полостью (порой) в середине.

Наличие «рыбьих глаз» в изломе металла всегда свидетельствует о насыщении его водородом. Для удаления водорода иногда прибегают к выдерживанию сварных конструкций при комнатной температуре. Выдержка при температуре 250-300 °С ускоряет процесс выделения водорода. Водород является вредной примесью в стали, и при сварке следует избегать попадания влаги в шов, тщательно очищать поверхность металла от ржавчины и влаги и применять электроды с хорошо прокаленным покрытием.

Некоторую отрицательную роль при сварке играет окись углерода СО. Она нерастворима в стали и, находясь в газовой среде, окружающей дугу, защищает расплавленный металл от воздуха. При образовании СО в самом металле по реакции

она действует как раскислитель металла, удаляющий кислород и восстанавливающий Fe из FeO, что сопровождается кипением ванны при сварке. Если не хватает других раскислителей, то СО может оказаться причиной пористости шва и ухудшения качества стали.

При сварке незащищенной дугой расплавляемый металл свободно контактирует с окружающим воздухом и насыщается кислородом и азотом, вследствие чего металл шва обладает низким качеством. Предел его прочности равен 34-38 МПа (для низкоуглеродистой стали), относительное удлинение – 3-8% и ударная вязкость KCU=5-15 Дж/см 2 . Поэтому сварку незащищенной дугой не применяют, а для защиты расплавляемого металла от воздуха и для улучшения качества, а также технологических свойств процесса сварки электроды покрывают специальной обмазкой. Кроме того, применяют защитные газы: аргон, гелий и др.

Читайте также: