Для предотвращения попадания водорода в сварочную ванну необходимо
Обновлено: 17.05.2024
Основными вредными примесями для сварного шва являются кислород, азот, водород, сера, фосфор.
Кислород - ухудшает механические, технологические свойства (ковкость, обрабатываемость), износостойкость металла шва, может привести к образованию пор. Источником кислорода является окружающий воздух.
Содержание кислородав сварном шве зависит от длины дуги, силысварочного тока, условий защиты. При увеличении длины дуги и силы сварочного тока (когда уменьшаются размеры, но увеличивается количество капель электродного металла), увеличивается площадь соприкосновения расплавленного металла с воздухом – увеличивается количество кислорода, попадающего в сварной шов.
Азот - образует нитриды железа (Fe4N, Fe2N),марганца и др. элементов, которые располагаются в сварном шве в виде игольчатых включений, приводящих к появлению трещин в сварной конструкции при низких температурах (хладоломкость).
Азот может попадать всварной шов из воздуха, т.е. содержание азотав сварном шве зависит от тех же факторов, что и кислорода.
Водород при попадании в сварочную ванну вызывает в сварном шве трещины, поры. Источниками водорода могут быть влага в покрытии электродов, ржавчина и другие загрязнения на кромках. При увеличении степени легирования увеличивается склонность к водородным трещинам.
Сера и фосфор - могут попадать в сварочную ванну из основного металла, сварочной проволоки, покрытия электродов, флюсов. Сера приводит к появлению трещин при высоких температурах («красноломкость»), а фосфор – к появлению трещин при низких температурах («синеломкость»).
Уменьшение содержания вредных примесей в сварном шве достигается газошлаковой защитой расплавленного металла – при расплавлении покрытия электрода или флюса образуется газ, окружающий дугу, и шлак, обволакивающий капли расплавленного металла и сварочную ванну, шлак также замедляет остывание жидкого металла.
Кроме того, для получения качественного шва используют создание специальных химических процессов в сварочной ванне:
1. Раскисление сварного шва – удаление кислорода из сварного шва за счет добавки специальных элементов.
Эти элементы должны отвечать двум требованиям: во-первых, они должны иметь большее, чем железо, сродство к кислороду, т.е. они должны «забирать» кислород от железа, восстанавливая его из окислов; во-вторых, эти новые соединения должны быть нерастворимы в стали, т.е. выходить из шва в шлак.
Этим требованиям отвечают следующие элементы («раскислители»):
o Углерод (С) является «автоматическим раскислителем», т.е. его специально не добавляют в сварочную ванну – он всегда присутствует в стали и поступает в сварочную ванну из основного металла, присадочного материала (проволоки), покрытия электродов, флюса.
2FeO + C = 2Fe+ CO2
Углекислый газ (CO2) должен успеть выйти из шва в шлак до кристаллизации, иначе могут быть поры.
o Марганец (Mn) раскисляет шов и удаляет серу (S):
FeO + Mn = Fe + MnO
FeS + Mn = MnS + Fe
Соединения, указанные стрелками, должны выйти в шлак.
o Кремний (Si) – более сильный, чем марганец, раскислитель, но применяют его вместе с марганцем, т.к. соединение SiO2- вязкое, а марганец придает им жидкотекучесть, т.е. способствует выходу в шлак. В противном случае могут возникать дефекты сварного шва – «шлаковые (неметаллические) включения».
o Титан (Ti)– сильный раскислитель
Ti + 2Fe = TiO2 + 2Fe
2. Легирование шва – введение в шов специальных благородных элементов (Mn, Si, Cr, Ni, Mo,W, Ti и др.), которые улучшают химический состав и структуру металла шва. Легирующие элементы могут вводиться через присадочные материалы (проволоку), покрытия электродов, флюс.
3. Очищение шва от серы и фосфора–
Сера образует соединения FeS - при кристаллизации получаются легкоплавкие соединения по границам зерен металла, которые при высоких температурах, расплавляясь, образуют трещины; удаление - марганцем
FeS +MnО=MnS + FeО
Фосфор снижает механические свойства металла, приводит к синеломкости (трещины при низких температурах)
Удаление - в 2 этапа:
– Связывание в химические соединения (окислами Ca, Mg, Mn), нерастворимые в стали
Свариваемость металлов.
Свариваемость– способность металлов образовывать качественное сварное соединение, удовлетворяющее эксплуатационным требованиям.
Методы оценки свариваемости:
• Прямой - сварка проб на различных режимах с последующими испытаниями образцов из них на растяжение, изгиб, ударную вязкость, коррозионную стойкость и др.
• Косвенный - по эквиваленту углерода.
где; С – содержание углерода, %;
Mn, Cr, … - содержание легирующих элементов,%.
Таблица 1 – Группы свариваемости
| Группа свариваемости | Сэк | Условия сварки |
| I Хорошая | До 0,25 | Без ограничений |
| II Удовлетворительная | 0,25-0,35 | Только при температуре окружающей среды не ниже 5 0 С, толщине металла ˂ 20 мм при отсутствии ветра |
| III Ограниченная | 0,35-0,45 | С предварительным или сопутствующим подогревом до 250 0 С |
| IV Плохая | Свыше 0,45 | С предварительным и сопутствующим подогревом, термообработкой после сварки |
Контрольные вопросы:
1. Перечислите основные вредные примеси сварных швов, поясните их влияние на свойства сварного шва.
2. Что такое «раскислитель», каким требованиям он должен отвечать?
3. Перечислите элементы, применяемые для раскисления сварочной ванны, объясните особенности их применения.
4. Как влияют сера и фосфор на качество сварного шва, откуда они могут попадать всварной шов, чем их можно удалять из сварочной ванны?
5. Дайте определение понятия «свариваемость металлов». Поясните методы оценки свариваемости, группы свариваемости.
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.
Пористость сварных швов
Одним из наиболее часто встречающихся дефектов сварных швов являются поры. Так как их появление часто провоцируется нарушениями технологии изготовления электродов, рассмотрим этот весьма сложный процесс, о механизме которого существуют различные точки зрения.
Возникновение пористости связано с образованием газовых пузырьков в жидкой сварочной ванне и фиксацией их в металле при его кристаллизации. В зависимости от конкретных условий причинами образования пористости могут явиться такие газы, как водород, азот и оксид углерода.
Возникновение и развитие пор определяется совместным действием всех газов, присутствующих в металле. Однако чаще всего основное влияние принадлежит какому-либо одному из перечисленных газов. Существенно также влияние физических свойств сварочных шлаков.
Ранее было отмечено, что вместе с ростом температуры жидкого металла количество растворенного газа возрастает. В области высоких температур (капли жидкого металла, головная часть сварочной ванны) количество растворенного газа может превысить его растворимость (то количество газа, которое растворяется в жидком металле при температуре плавления и внешнем давлении газа в 101 кПа). В результате сварочная ванна в ее хвостовой, менее нагретой части окажется пересыщенной газом, особенно на границе с кристаллизующимся металлом.
Излишний по сравнению с равновесным содержанием газ будет выделяться из металла. При этом он способен создавать давление (давление выделения), превышающее атмосферное. Если выделение газа в атмосферу с поверхности металла происходит легко, то образование и развитие газового пузырька внутри металла затруднено и требует затрат энергии.
Образование зародыша газового пузырька происходит легче всего на границе между жидкой фазой и кристаллизующимся твердым металлом. Особенно легко это происходит во время остановок кристаллизации, продолжительность которых для стали обычно не превышает 0,2 с. Дело в том, что в процессе кристаллизации происходит повышение концентрации газа в слое жидкого металла на его границе с образующейся твердой фазой. Во время движения фронта кристаллизации содержание газов в твердом металле становится равным его исходному содержанию в жидком металле. Так как растворимость газов в твердом металле меньше, чем в жидком, то при остановке кристаллизации газ, в первую очередь водород, из затвердевшего металла начнет диффундировать в жидкий металл. Учитывая, что слой жидкого металла уже пересыщен газом, вероятность возникновения стойкого зародыша в это время возрастает.
Дальнейшее развитие и рост зародыша будут происходить в том случае, если сумма давлений выделения всех газов, растворенных в металле, превышает атмосферное давление.
Рассмотрим условия возникновения пористости при сварке электродами с покрытиями различных видов. При этом объединим в одну группу электроды с покрытиями следующих видов: кислым, рутиловым, целлюлозным. Общим для таких покрытий является наличие органики, главным образом в виде целлюлозы, создающей достаточную газовую защиту от атмосферы воздуха и кислых оксидов в количествах, обеспечивающих развитие умеренного кремневосстановительного процесса, а также применение в качестве рас - кислителя главным образом ферромарганца.
Сумма парциальных давлений остаточного водорода, азота и оксида углерода в наплавленном металле существенно превышает атмосферное давление. Каким же образом пересыщение наплавленного металла газами сочетается с возможностью получения беспо - ристых швов?
Прежде всего, следует отметить, что жидкий металл, наплавляемый электродами этой группы, имеет при сравнительно высоких температурах повышенное содержание растворенного кислорода, что существенно снижает вязкость металла. Из трех рассмотренных газов водород содержится в швах в большем количестве, и его парциальное давление, как правило, превышает атмосферное давление. При этом диффузионная подвижность водорода в жидком металле на два-три порядка выше диффузионной подвижности азота, кислорода и углерода, необходимого для образования оксида углерода.
Приведенные особенности электродов рассматриваемой группы создают благоприятные условия для возникновения зародышей на фронте кристаллизации и их дальнейшего развития, главным образом, за счет диффузии в них водорода.
В результате образующиеся газовые пузырьки растут быстрее, чем движется фронт кристаллизации. Пузырьки, достигнув определенного размера, отрываются и всплывают, что и обеспечивает отсутствие пористости в швах.
При введении в покрытие электродов сильных раскислителей (ферросилиций, алюминий, углерод) окислительный потенциал покрытия снижается. Это приводит к росту коэффициента перехода марганца из покрытия в наплавленный металл, к более интенсивному развитию кремневосстановительного процесса или приросту кремния за счет его перехода из ферросилиция, вводимого в покрытие. При этом изменяется также и химический состав образующегося шлака, а следовательно, и его свойства. В первую очередь повышается вязкость шлака, снижается его окислительная способность и газопроницаемость.
Примерно к таким же результатам приводит прокалка электродов рассматриваемой группы при высоких температурах, превышающих рекомендованные. Это снижает концентрацию влаги в покрытии и вызывает обугливание органики. Все вместе взятое способствует развитию кремневосстановительного процесса.
При повышенной концентрации кремний взаимодействует с кислородом, начиная с высоких температур. Это повышает вязкость и поверхностное натяжение жидкого металла. Кроме того, кремний затрудняет выделение водорода из металла. В результате образование и рост газовых пузырьков происходит вяло. Металл кристаллизируется быстрее, чем растут пузырьки газа, и в металле возникает внутренняя пористость.
В связи с повышением вязкости шлака может возникнуть также большая наружная пористость. Чаще всего это бывает, когда вязкий шлак покрывает ту часть сварочной ванны, в которой происходит образование газовых пузырьков. Густой шлак задерживает образовавшиеся пузырьки газа на границе металл — шлак и не позволяет им выделиться в атмосферу.
Для предупреждения возможности образования пор при сварке электродами рассматриваемой группы необходимо:
• при изготовлении — строго соблюдать рецептуру покрытия и требования технической документации к компонентам и технологии изготовления, обращая особое внимание на соблюдение предусмотренных режимов прокалки;
• при применении — строго выдерживать предписанные режимы силы сварочного тока. В случае чрезмерного увлажнения производить дополнительную прокалку в соответствии с технической документацией.
Сварку рекомендуют производить через 2-3 дня после прокалки с целью стабилизации влажности покрытия электродов в условиях цеха.
При сварке электродами с покрытием основного вида карбонаты, содержащиеся в таких покрытиях в больших количествах, при высокой температуре разлагаются с выделением углекислого газа. При сварке короткой дугой обеспечивается достаточно мощная защита сварочной ванны от воздействия воздуха, в связи с чем содержание азота в швах обычно не превышает 0,02%. Так как в состав покрытия электродов входят сильные раскислители (кремний, титан), наплавленный металл по типу относится к спокойной стали с концентрацией кремния 0,2-0,4%. Поэтому содержание общего кислорода, связанного главным образом с кремнием, обычно находится в пределах 0,02-0,04%.
Температура прокалки электродов с покрытием основного вида достигает 380-420 °С.
Учитывая низкое содержание в покрытии пластификаторов, имеющих в своем составе связанную влагу, содержание в швах суммарного водорода, как правило, не превышает 6-8 мл/100 г. Казалось бы, пористость в таких швах должна всегда отсутствовать. Однако на практике нередки случаи получения пористых швов. Рассмотрим возможные причины их образования.
При сварке длинной дугой в атмосферу зоны сварки проникает воздух, а, следовательно, и азот, который в существенном количестве может раствориться в жидком металле при высокой температуре.
При охлаждении жидкого металла до температуры кристаллизации'растворимость азота резко снижается, и металл на фронте кристаллизации может оказаться пересыщенным этим газом. Так как скорость кристаллизации будет превышать скорость роста пузырьков, в сварных швах появятся поры.
При сварке электродами с увлажненным покрытием в атмосфере дуги появятся пары воды, диссоциация которых сопровождается появлением атмосферного водорода. В этом случае жидкий металл на фронте кристаллизации может быть пересыщен водородом. В связи с медленным ростом пузырьков кристаллизующийся металл их зафиксирует, и в сварных швах появится пористость.
При сварке по окисленным, ржавым поверхностям возможно местное пересыщение металла как кислородом, так и водородом. Пористость возникает на фронте кристаллизации в результате
образования пузырьков газа как за счет водорода, так и за счет оксида углерода.
С целью снижения чувствительности электродов с основным покрытием к пористости при их изготовлении следует жестко ограничить введение в покрытие минеральных и органических пластификаторов, содержащих соединения водорода, трудноудаляемые в процессе прокалки. Режимы прокалки должны полностью соответствовать требованиям технической документации.
Сварку необходимо выполнять только по зачищенным поверхностям, на токовых режимах, соответствующих указаниям документации. Перед употреблением электроды надо прокалить.
Взаимодействие металла с газами
Для регулирования происходящих химико-металлургических процессов в сварочной ванне необходимо знать, как химические элементы (в частности газы) взаимодействуют с металлом сварочной ванны. Это необходимо для правильной очистки свариваемых кромок выбора электродов.
Просмотр содержимого документа
«Взаимодействие металла с газами»
Тема урока: Взаимодействие металла с газами.
образовательная: изучить особенности взаимодействия металла при сварке;
развивающая: развитие навыков применения теоретический знаний на практике;
воспитательная: воспитать трудолюбие и ответственное отношение к работе.
Интеграция урока: химия, физика, технология сварки.
Оснащение урока: учебник, компьютер, проектор (содержит презентацию).
Тип урока: комбинированный.
Проверка присутствующих на уроке и их готовность к уроку…………..1мин.
Объяснение и запись темы и целей урока…………………………………..2мин.
Актуализация опорных знаний………………………………………………5мин.
1. Каковы особенности металлургического процесса при сварке?
2. Определение сварочной ванны.
3. Явления, протекающие при образовании сварочной ванны.
4. Что происходит при расплавлении металла?
5. Что должны обеспечивать должны обеспечивать процессы, происходящие при сварке?
Мотивация учебной деятельности…………………………………………..3мин.
Для регулирования происходящих химико-металлургических процессов в сварочной ванне необходимо знать, как химические элементы (в частности газы) взаимодействуют с металлом сварочной ванны. Это требуется для правильной очистки свариваемых кромок выбора электродов, защиты сварочной ванны, режимов сварки и т.д., что, в свою очередь, позволит получить качественное сварное соединение.
Изучение нового материала………………………………………………..26мин.
Конспектирование и объяснение нового материала.
Закрепление полученных знаний……………………………………………5мин.
1. Как кислород попадает в сварочную ванну?
2. Какой процесс называется раскислением?
3. Как влияет азот на сварной шов?
4. Как влияет водород на сварной шов?
5. Назовите способы предотвращения попадания газов в сварочную ванну.
Подведение итогов урока……………………………………………………..2мин.
Оценивание наиболее активных студентов.
Проработка изученного материала по конспекту с использованием рекомендуемых источников информации.
Взаимодействие металла с газами.
КИСЛОРОД попадает в сварочную в зону сварки их воздуха, влаги электродного покрытия и неочищенных от кромок. Он взаимодействует с жидким металлом сварочной ванны, окисляет железо и элементы, содержащиеся в стали.
Железо с кислородом образует три соединения (оксида), имеющих весьма важное значение в металлургических процессах, происходящих при сварке плавлением: оксид железа FeO, содержащий 22,27% О2, оксид железа Fe3O4, содержащий 27,64% O2, оксид железа Fe2O3, содержащий 30,06% O2. Из всех трех оксидов растворим в железе только 1- FeO. Остальные оксиды в железе практически нерастворимы и на его свойства влияния почти не оказывают.
В зоне сварочной дуги имеются газовая, шлаковая и металлическая фазы.
При наличии в газовой фазе сложных газов, таких, как, например, СO2 и Н2O, которые при диссоциации (растворение, распад) выделяют кислород, также происходит окисление металла сварочной ванны.
Образующийся оксид, железа растворяется частично в шлаке и частично в расплавленном металле, вследствие чего в сварном шве образуются поры. В твердом железе растворимость кислорода невелика.
Процесс удаления кислорода из металла называется раскислением.
Раскисление металла при сварке производится элементами, которые более активно взаимодействуют с кислородом, чем железо. К ним относятся марганец (Mn), кремний (Si), титан (Ti), алюминий (Al) и др.
Элементы, обладающие большим сродством к кислороду, чем железо, способствуют его восстановлению из окислов. При этом элементы, обладающие большим сродством к кислороду, окисляются полностью и в первую очередь, чем другие элементы, имеющие меньшее сродство к кислороду. Сродство элементов к кислороду, а следовательно, и их сила раскисления не являются постоянной величиной или свойством, присущим только какому-то отдельному элементу, а зависит от концентрации элемента-раскислителя в рассматриваемый момент, температуры, при которой протекает реакция, и других факторов.
Раскисление марганцем и кремнием:
Закись марганца и двуокись кремния плохо растворяются в железе, поэтому всплывают на поверхность сварочной ванны и переходят в шлак.
Реакции окисления и восстановления проходят одновременно и не до конца, а до определенного состояния равновесия.
АЗОТ в зону сварки попадает из воздуха. Он понижает пластичность металла шва и может способствовать образованию трещин и пор.
Для уменьшения попадания азота в шов необходимо производить сварку короткой дугой и обеспечить хорошую защиту сварочной дуги.
ВОДОРОД попадает в зону сварки из атмосферной влаги, электродного покрытия, ржавчины и т.п. Он способствует образованию пор и микротрещин, что снижает прочность шва.
Предотвращение попадания газов в сварочную ванну:
Перед сваркой очистить кромки от ржавчины, влаги, краски и т.п.
Перед сваркой прокалить электроды.
Обеспечить хорошую защиту сварочной ванны (покрытие электрода, защитный газ, флюс).
Читайте также: