Водород способствует образованию в металле шва при сварке

Обновлено: 27.04.2024

Водород может оказывать на металл двоякое влияние: с одной стороны, он защищает его от насыщения кислородом и азотом, предупреждает окисление (связывая кислород), восстанавливает при известных условиях металл из оксидов, препятствует образо­ванию нитридов железа (см. рис. 9.5); с другой стороны, водород растворяется в металле и становится причиной появления сущест­венных дефектов в шве - пористости и трещин.

Металлы, растворяющие водород, делятся на две группы:

- металлы (Fe, Ni, Al, Со, Си, Мо и др.), не образующие хими­ческих соединений с водородом;

- металлы (Zr, Ті, V, Та, Th и др.), образующие твердые рас­творы и химические соединения с водородом (гидриды).

Атомарный водород растворяется как в твердом, так и в жидком железе. Как следует из рис. 9.6, б, растворимость водорода в желе­зе с повышением температуры растет и изменяется скачкообразно в моменты полиморфных превращений. При переходе железа из твердого состояния в жидкое наблюдается резкое возрастание рас­творимости водорода, достигающей максимального значения при температуре ^2700 К. Таким образом, наиболее значительное на­сыщение металла водородом при сварке происходит в процессе формирования и переноса капель с электрода в сварочную ванну.

Рис. 9.12. Влияние температуры и парциального давления водорода в газовой фазе на его растворимость в жидком железе (кривые 7, 2, 3, 4 - для значений соответственно КГ1, 5x10-2, 25x10-3, 10 2 МПа)

Рис. 9.13. Зависимость раство­римости водорода в жидких металлах от концентрации в нем кислорода при темпера­туре, близкой к температуре плавления металла

Степень насыщения жидкого металла водородом зависит от наличия в газовой среде элементов, способных связывать водород в химические соединения, не растворимые в жидком металле и тем самым снижающие его парциальное давление в газовой среде. Так, образование в газовой среде соединений ОН и HF, не растворимых в жидком металле, снижает насыщенность металла водородом.

Кроме того, весьма существенным является парциальное дав­ление водорода в газе, контактирующем с металлом. Об этом сви­детельствуют представленные на рис. 9.12 зависимости раствори­мости водорода в металле от температуры среды при разном его парциальном давлении (рщ) в газовой среде.

Находясь в окисленном жидком металле, водород взаимодей­ствует с кислородом по реакциям:

(квадратными скобками обозначены газы, растворенные в метал­ле). Поэтому наличие в металле кислорода ограничивает концен-
ірацию в нем водорода. На рис. 9.13 приведены данные о совмест­ном растворении водорода и кислорода в жидких металлах: желе­зе, меди и никеле. Как следует из рисунка, даже при незначитель­ной окисленности жидкого металла резко снижается содержание в нем водорода.

Насыщение водородом жидкого металла отрицательно сказы­вается на его свойствах. При достаточно быстром охлаждении ме­талла сварочной ванны не весь растворенный в ней водород успе­вает выделиться. Особенно много водорода задерживается при снижении температуры превращения у - а. Оставшийся в металле атомарный водород задерживается в ветвях зарождающихся и рас­тущих дендритов, у поверхности кристаллов, у мест расположения посторонних включений, а также в микронесплошностях - скоп­лениях дислокаций и других дефектах кристаллического строения. В этих местах атомы водорода соединяются в молекулы. Поэтому парциальное давление атомарного водорода в районе дефектов резко снижается, вследствие чего он продолжает диффундировать в том же направлении. Непрерывно образующийся молекулярный водород создает значительные давления, так как сам он не диф­фундирует через металл и практически не растворим в нем. Кроме того, водород может окисляться и образовывать водяной пар, ко­торый в металле не растворяется. В связи с тем что давление на­правлено во все стороны, в металле возникает объемное напря­женное состояние, приводящее к снижению его пластических свойств, а иногда - к хрупкому разрушению и закалочно-водо­родным трещинам.

. Следовательно, хотя водород и не образует с металлом шва со­единений, отрицательно влияющих на прочность сталей, он уси­ливает вредное влияние макро - и микронесплошностей, спо­собствует резкому снижению пластических свойств и хрупкому разрушению закаленных сталей.

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.

ОСНОВНЫЕ ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ В СВАРОЧНОЙ ВАННЕ

Эти особенности вносят определенные трудности в получении качественного шва, но при правильно выбранной технологии сварки данной марки стали или сплава, правильно выбранном режима сварки или другими словами высокой квалификации сварщика можно получить равнопрочный свариваемому металлу шов. Это и требуется от сварочного соединения.

ОСНОВНЫЕ ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ В СВАРОЧНОЙ ВАННЕ

1. ВЛИЯНИЕ КИСЛОРОДА.

Кислород попадает в сварочную ванну из воздуха и с железом образует три оксида Fe₃O₄; Fe₂O₃; FeO.

Самым нежелательным из них является FeO, который растворяется в расплавленном металле, а в процессе кристаллизации сварочной ванны, выделяется по границам столбчатых кристаллитов ( характерных для литой структуры) или зерен, нарушая и расслабляя связь между ними. В результате значительно снижается прочность, ударная вязкость, пластичность шва, т.е. основные механические свойства. Для уменьшения влияния кислорода:

— необходима надежная газовая и шлаковая защита сварочной ванны от воздуха, что и осуществляется за счет покрытия электрода;

— так же в покрытие вводятся раскислители, т.к. защита не гарантирует проникновение воздуха. Раскислителями называются химические элементы, обладающие большим сродством (активностью) к кислороду, чем железо. По этому признаку, наиболее встречаемые в сварочной ванне элементы, можно расположить в следующем порядке:

AL; Ti; V; Si; C; Mn; Cr; Fe; W; Co. . . .

Элементы, стоящие с ряду левее железа будут являться раскислителями. Из них AL не используют, т.к. образуются тугоплавкие, тяжелые и трудно выводимые из сварочной ванны оксиды. Наиболее широко применяются вводимые в виде ферросплавов Ѕi, Mn, Ti, которые восстанавливают железо из FeO и образуют нерастворимые, легко всплывающие и переходящие в шлак ЅiО2; MnO; TiO2.

2. Влияние углерода.

Углерод содержится, при сварке сталей, в основном металле, а так же в электроде. Является раскислителем и при чем его активность зависит от температуры. Например, от 1800 град, он своей активностью к кислороду превосходит титан, стоящий на втором месте, а от 2000 град. и алюминий. Температура сварочной ванны примерно в этих пределах и при восстановлении железа по реакции FeO + C = Fe + CO происходит его «выгорание», т.к. СО представляет собой газ. Пониженное содержание углерода повышает пластичность металла шва, но снижает его прочность. «Выгоранию» углерода препятствует кремний, при его содержании в основном металле 0,2 — 0,3 % и более.

3. Влияние азота.

Азот попадает в сварочную ванну из воздуха и образует с железом нитриды Fe₂N; Fe₃N, которые повышают прочность и твердость металла шва, но снижают его пластичность, что является нежелательным. Для уменьшения влияния азота достаточно надежной шлаковой и газовой защиты сварочной ванны от воздуха во время сварки.

4. Влияние водорода.

Причиной появления водорода в сварочной ванне является вода, которая при высокой температуре распадается на атомарный водород (+Н) и (-ОН). Атомарный водород, растворяясь в расплавленном металле, а при кристаллизации сварочной ванны, преобразуясь в молекулярный (Н₂), скапливается в отдельных местах, образует поры (пузырьки) снижающие прочность шва. Кроме того, при усадке металла сварочной ванны, происходит сжатие водорода в пузырьках до десятков атмосфер в результате чего, при недостаточной пластичности металла возможно образование микротрещин, очень опасных для шва. Вода может попасть в сварочную ванну из — за:

—влаги на свариваемых кромках;

— ржавчины, окалины на кромках, т.к. они являются гидратами оксидов, например

— влажности покрытия электрода.

Для уменьшения влияния водорода следует:

— свариваемые кромки осушить;

— зачистить кромки до блеска стальной щеткой от ржавчины и окалины;

— влажное покрытие электрода просушить в сушильных шкафах или печах. Время просушки и допустимое содержание влаги в покрытии, указывается на бумажных ярлыках пачек электродов.

5. Влияние серы и фосфора.

Сера и фосфор могут попасть в сварочную ванну:

— из покрытия электрода. Чем меньше в нем их содержание, тем выше качество покрытия;

— из электродного (присадочного) и основного металла, в которых они являются вредными примесями и так же определяющими качество стали.

Сера придает металлу красноломкость, т.е. снижение прочности и явления ползучести при высоких температурах эксплуатации конструкции, а так же способствует появлению горячих трещин в шве. Это объясняется тем, что сера образует с железом сернистое железо Fe₂S имеющее температуру плавления 1193 град, меньшую, чем у железа 1539 град. Оно расплавляется по границам кристаллитов (зерен) и при высокой температуре плавится в первую очередь. Уменьшает влияние серы марганец, содержащийся в покрытии, при этом MnS переходит в шлак.

Фосфор придает металлу хладноломкость, т.е. снижение прочности и пластичности при низких температурах эксплуатации конструкции, а так же способствует образованию холодных трещин в шве. Уменьшает влияние фосфора кальций, содержащийся в большом количестве в электродах с основным покрытием. Вот почему, сварку при низких температурах следует вести электродами с основным видом покрытия, во избежание появления холодных трещин.

Взаимодействие металла сварочной ванны с водородом. Образование пористости в шве.

В процессе получения неразъемного соединения методами сварки с местным расплавлением задачей сварщика является получение металла шва с заданными свойствами. С этой целью в процессе сварки осуществляют металлургическую обработку сварочной ванны: дегазацию, рафинирование, легирование. Также нужно обеспечить кристаллизацию металла шва в определенных условиях, таких чтобы не образовывались внутренние дефекты: поры или трещины.

Поры или несплошности бывают следующих видов:

- газовые поры, газо-усадочные поры, рыхлоты, течи.

Образование пор может привести к снижению механических свойств, иногда – к потере герметичности (если поры выстраиваются в виде цепочки, и между ними могут быть каналы). Нарушение герметичности также может быть связано с образованием разветвленных неправильной формы несплошностей, которые принято называть рыхлотами или течами. Этот вид пористости наиболее опасен, так как может привести не только к потере герметичности, и в то же время может служить концентратором напряжений, в связи с чем конструкция в процессе эксплуатации может разрушиться хрупко. Все виды пористости по размерам, форме и расположению в сварном соединении регламентируются правилами приемки. При сварке стараются создать условия, при которых пористость в сварной конструкции была бы минимальной.

Пористость обычно выявляют с помощью рентгеновского просвечивания сварных соединений. Наличие рыхлот и течей определяют с помощью различных проб (например: керасино-меловой пробы), либо с помощью испытаний на герметичность.

Причины образования пористости могут быть:

1) газы, попадающие из окружающей среды в сварочную ванну,

2) газы, попадающие в сварочную ванну с поверхности присадочного металла или из флюса,

3) газы, имеющиеся внутри расплавляемого основного и присадочного металла.

При сварке алюминиевых сплавов пористость в основном вызвана водородом.

Водород может присутствовать:

1) в растворенном (атомарном) виде

2) в молекулярном виде (в пузырьках)

3) в связанном виде (в виде химических соединений)

При сварке плавлением алюминия и его сплавов водород может вызвать пористость в металле шва и высокотемпературной области зоны термического влияния (ВТО ЗТВ) (ВТО ЗТВ – участок, прилегающий к металлу шва, где температура нагрева выше неравновесного солидуса).

Образование пор может быть вызвано:

1) выделением газов из пересыщенных растворов;

2) выделением газов в результате развития химической реакции;

3) механическим замешиванием газов

4) поступлением газов из несплошностей основного и присадочного металла.

1.1. Выделение газов из пересыщенных растворов.

Выделение водорода в виде газовых пузырей из жидкого металла возможно при формировании пересыщенного раствора. Последнему способствуют свойства алюминия, а именно – изменение растворимости в нем водорода в зависимости от температуры (рис. 1) и особенности процесса сварки, заключающиеся в нагреве и охлаждении металла в зоне сварки.

При нагреве из-за повышения растворимости водорода в алюминии с увеличением температуры создаются условия для перехода водорода в сварочную ванну при достаточном содержании водорода или паров воды в среде, контактирующей с жидким металлом, по реакциям:

Константы равновесия рассматриваемых реакций:

где: - равновесные концентрации водорода в металле;

- соответствующие им равновесные парциальные давления водорода и паров воды в контактирующей среде.

Если действительное парциальное давление водорода в контактирующей среде будет выше равновесных для данной температуры

то будет наблюдаться переход водорода в жидкий металл и формирование газовых пузырей. Полнота развития указанных реакций, которые относятся к классу гетерогенных реакций, зависит от величины площади поверхности раздела фаз, а также скорости доставки и отвода реагирующих веществ из зоны реакции.

Следует отметить, что образование газовых пузырей в результате выделения водорода из расплава возможно только при наличии в расплаве зародыша критического размера. Как показывают расчеты и исследования, гомогенное образование зародыша пузыря маловероятно. По этой причине введение в жидкий металл примесей облегчает образование зародышей (гетерогенное образование зародышей). Особенно гетерогенное образование зародышей газовых пузырей облегчается, когда примеси не смачиваются жидким металлом, в этом случае зародыши формируются при малом пересыщении металла водородом.

1.2. Выделение газов в результате развития химических реакций.

Основным источником водорода в сварочной ванне, является влага на поверхности свариваемых деталей и сварочной проволоки.

При сварки такого материала с поверхности кромок будут последовательно выделяться следующие газы:

Al(OH)₃ x nH₂O + Al ______ ® Al(OH)₃ + n H₂O + Al (4)

2Al(OH)_{3 +} Al _________________ ®2AlOOH + H₂O + Al (5)

2AlOOH ____________ ®Al₂O₃ + H₂O₊ Al + H₂ (6)

6H₂O + 4Al _______________ ®2Al₂O₃ +6 H₂ (7)

Поэтому, для того чтобы предотвратить попадание водорода с поверхности кромок в шов осуществляют шабрение свариваемых кромок непосредственно перед сваркой.

1.3. Механическое замешивание газов.

Механическое замешивание газов в сварочную ванну возможно из-за смыкания кромок перед сварочной ванной.

В некоторых случаях на участке А в результате теплового расширения и деформации металла возможно смыкание кромок и образование замкнутых газовых полостей, которые и могут служить источником пор в металле шва.

1.4. Поступление газов из несплошностей основного и присадочного металла.

Газовые пузыри в сварочной ванне могут сформироваться, минуя стацию образования зародыша, если в исходных материалах (основном металле, электродной или присадочной проволоке) имеются микронесплошности, заполненные газом. В этом случае в процессе сварки в результате расплавления основного, электродного или присадочного металла, газ, содержащийся в микронесплошностях, попадает в сварочную ванну в виде газовых пузырей.

Источником микронесплошностей, заполненных газом, в исходных материалах в основном являются первичные несплошности, формирующиеся в процессе кристаллизации слитков, из которых изготавливают основной металл и сварочную проволоку. Как показывает практика, почти всегда в слитках металлов и сплавов имеются рассеянные макро- и микронесплошности газового или усадочного происхождения. Установлено, что эти дефекты заполнены молекулярным водородом. В процессе переработки слитков путем пластической деформации (прессования, прокатки, ковки и др.) не всегда удается полностью ликвидировать несплошности, сформировавшиеся в процессе кристаллизации слитка. В результате этого поступающие для изготовления сварных конструкций полуфабрикаты (листы, профили и др.) могут иметь микронесплошности, заполненные водородом. Установлено, что имеющийся в основном металле молекулярный водород приводит к образованию пористости не только в металле шва, но и в металле высокотемпературной области зоны термического влияния. В некоторых случаях водород, содержащийся в микронесплошностях, вызывает расслоение металла в глубинных слоях зоны термического влияния.

Помимо пор, водород, собирающийся в микронесплошностях, может привести к формированию зародышей трещин и развитию трещин вследствие значительных напряжений, возникающих из-за выделения молекулярного водорода: например, при степени пересыщения [Н]_д/[Н]_р = 100, в порах возникает давление 2>_д= 10000 атм. В области поринки металл находится в сложном напряженном состоянии, и в зависимости от свойств в этой зоне может произойти разрушение. Условия при которых происходит разрушение можно определить используя теорию хрупкого разрушения Гриффитса.

При приложении сил, создающих в однородном теле напряжения s, рост уже имеющегося зародыша трещины (с). При этом объемная упругая энергия будет уменьшаться, а величина поверхностной энергии будет увеличиваться.

Рассматривая баланс этих величин, получают общую формулу Гриффитса :

где: s_кр - критическое напряжение, при котором начинается рост зародыша трещины размерами с, Па;

с – размер трещины;

g - величина поверхностной энергии;

Е - модуль упругости, МПа;

Следовательно, зародыш трещины может развиться в трещину если действующие напряжения больше критических: s_д> s_кр.

Поскольку на размер зародыша повлиять нельзя, то нужно стремиться к уменьшению уровня напряжений, воспринимаемых конструкцией (s_д), в свою очередь определяемых содержанием водорода в микронесплошностях.

1.5. Способы снижения содержания водорода в сварочной ванне.

Существует несколько способов снижения содержания водорода в сварочной ванне:

1) уменьшение адсорбированной влаги;

2) воздействие на процессы в сварочной ванне;

Уменьшение адсорбированной влаги достигают:

1) за счет использования прокалки электродов и флюсов;

2) за счет применения обработки свариваемых поверхностей;

3) путем регламентации условий хранения;

4) использованием рациональной геометрии соединения;

5) применением присадочной или электродной проволоки рационального диаметра.

Целью настоящей работы является исследование влияния молекулярного водорода, содержащегося в алюминиевых сплавах, на образование пор.

Материал для исследования и объем работы назначает преподаватель. Рекомендуется использовать алюминиевые сплавы с различной склонностью к образованию пор в зоне сварного соединения, например, прессованные или прокатанные порошковые сплавы.

3. Методика проведения работы.

Чтобы иметь представление о качестве основного и присадочного металла осуществляют тепловую пробу МАТИ, позволяющую выявить суммарное содержание газов, имеющихся в свариваемом металле (так называемые «наследственные газы»).

Тепловая проба позволяет оценить изменение плотности исходного материала при нагреве из-за изменения его объема под воздействием молекулярного водорода, находящегося в несплошностях под давлением. Обычно результаты тепловой пробы выражают в виде суммарного объема несплошностей, отнесенных к 100 г металла

(

Поскольку используемые в промышленности алюминиевые сплавы отличаются друг от друга как по температуре плавления, так и характеру изменения свойств в этом интервале, то для каждого сплава температуру нагрева для проведения тепловой пробы определяют экспериментально. С этой целью проводят серию испытаний образцов, нагревая их до различной температуры. Выдержку при температуре нагрева сохраняют постоянной (обычно или 15 или 20 мин). После охлаждения образцов на воздухе определяют в них суммарный объем несплошностей. Экспериментальные данные оформляют в виде графика (рис.5)

Рис.5 Изменение суммарного объема несплошностей (

Т_с – температура солидуса сплава;

Т_к – температура, при которой твердо-жидкий металл теряет упругие свойства;

Т_п – температура тепловой пробы.

Из анализа кривой изменения суммарного объема несплошностей ( ) следует, что в области температур (Т_с- Т_к) наблюдается большое изменение , что связано со значительным изменением упруго-пластических свойств металла в этой области. Обычно температуру для тепловой пробы (Т_п) назначают на 5¸10 ° выше Т_к.

Для проведения пробы из исследуемого материала вырезают не менее двух образцов размером 20´20´d (d - толщина материала; для указанного размера образца толщина материала не более 8 мм). Образцы обезжиривают, после этого путем последовательного взвешивания образцов на воздухе и в дистиллированной воде определяют исходный удельный объем металла. При взвешивании образцы закрепляют на весах с помощью тончайшей подвески (рис.6).

Рис.6. Схема взвешивания образца в дистиллированной воде; 1-подвеска; 2-образец тепловой пробы; 3- сосуд с дистиллированной водой.

Взвешивание образцов производят на аналитических весах. Результаты взвешивания вносят в табл.1. В процессе взвешивания необходимо регистрировать температуру в зоне взвешивания, так как плотность дистиллированной воды зависит от температуры (табл.2). Взвешивание повторяют в той же последовательности после нагрева образцов.

Образец взвешивают на воздухе и в дистиллированной воде, данные заносят в

табл. 3. После этого расчетным путем определяют плотность металла шва на воздухе и в дистиллированной воде, данные также заносят в табл. 3. После этого расчетным путем определяют плотность металла шва и ВТО.

Полученные данные сопоставляют с данными тепловой пробы и исследования структуры металла в зоне переплавки.

2. СОСТАВЛЕНИЕ ОТЧЕТА

В отчете необходимо привести следующие данные:

1. Цель работы и ее теоретические предпосылки.

2. Характеристику исследуемых материалов.

3. Краткую методику проведения работы.

4. Результаты исследования.

5. Анализ полученных данных и выводы.

1. Механизм формирования пористости при ДЭС.
2. Выделение газов из пересыщенного раствора в процессе сварки.
3. Причины образования пор, течей.
4. Способы борьбы с пористостью при ДЭС.
5. Методика определения суммарного содержания газов в основном металле, в шве и околошовной зоне.

Д о н а г р е в а

П о с л е н а г р е в а

- вес образца соответственно на воздухе и в дистиллированной воде;

- объем образца до нагрева и после нагрева;

- удельный объем металла образца до нагрева и после нагрева.

Температура,	16	16,5	17	18	19	20	21	22	23	23,5	24
	1,0010	1,0011	1,0012	1,0014	1,0016	1,0018	1,0020	1,0022	1,0024	1,0025	1,0026

Металл до нагрева

Металл после тепловой пробы

- вес металла соответственно на воздухе и в дистиллированной воде;

- вес металла соответственно на воздухе и в дистиллированной воде после тепловой пробы;

V₀ -объем идеально плотного металла весом Р₁ - см. табл. 1.

Особенности металлургических процессов при сварке, влияние кислорода, азота и водорода, содержащихся в воздухе, на металл шва

Процесс электрической сварки плавлением характеризуется химическими реакциями, которые возникают между расплавленным металлом и окружающей средой. 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. Кислород попадает в зону сварки из окружающего воздуха, из влаги кромок свариваемого металла, из влаги флюсов, обмазки электродов и защитных газов, а также из материалов обмазки и флюсов. В материалах обмазки и флюсах кислород находится в виде оксидов марганца, кремния и др. В процессе сварки кислород соединяется с железом и остается в металле шва в виде оксида FeO.

С повышением содержания кислорода в металле шва снижается предел прочности, предел текучести, ударная вязкость; ухудшается коррозионная стойкость, жаропрочность сталей. Удаление кислорода из расплавленного металла достигается за счет введения в сварочную ванну таких элементов, как марганец и кремний. Эти элементы взаимодействуют с оксидом железа FeO, кислород в связанном состоянии переходит в шлак или на поверхность сварочной ванны. Такой процесс называется раскислением. Азот попадает в зону сварки из окружающего воздуха. Азот растворяется в железе, марганце, титане, молибдене и вступает с ними в химическое взаимодействие с образованием нитридов. Нитриды резко увеличивают прочность и снижают пластичность сварного шва. Для уменьшения содержания азота в металле шва необходимо исключить азот из зоны сварки. Этого достигают при сварке в защитных газах. Водород, подобно кислороду и азоту, поглощается в процессе сварки металлом шва. Источником водорода в зоне сварки может служить атмосферная влага, влага покрытия или флюса, влага ржавчины на поверхности сварочной проволоки и на свариваемых кромках. 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.

Одновременно с удалением из металла шва кислорода, азота водорода необходимо также очищать (рафинировать) металл шва от серы и фосфора, являющихся вредными примесями в сталях. Сера попадает в сварочную ванну из основного металла, сваркой проволоки, покрытий и флюсов. Наиболее неблагоприятной формой сернистых соединений в металле шва является сульфид железа FeS. В процессе кристаллизации он образует с железом эвтектику с температурой плавления ниже, чем у основного металла. Эвтектика располагается между зернами кристаллизующегося металла и является причиной возникновения горячих трещин сноломкость. Избавиться от появления такого дефекта позволяют марганец и кальций, содержащиеся в сварочной проволоке и обмазке электрода. Фосфор в металле шва находится в виде фосфидов железа Fe3P и Fe2P. Увеличение фосфора в металле шва снижает ударную вязкость, особенно при низких температурах, поэтому фосфор необходимо удалять. Это достигается за счет его окисления и удаления в шлак. Для снижения вредного влияния серы и фосфора их содержащееся в основном и электродном металле, в покрытии электродов и флюсах строго ограничивается соответствующими стандартами.

Читайте также:

  
• Материал для ступеней лестницы из металла
  
• Усадка металла при сварке расчет
  
• Литые таблички из металла
  
• Металлический уголок для крепления бруса к стене
  
• Как сделать заднюю бабку для токарного станка по металлу своими руками