Физико химические процессы при сварке

Обновлено: 10.05.2024

Образование сварного соединения в связи с введением концентрированной энергии в зону соединения сопровождается сложными физическими и химическими процессами.

СЛАЙД 2 К физическим относят процессы, которые, изменяя физические свойства вещества, не изменяют строение элементарных частиц (атомов, молекул), из которых состоит данное вещество, и не приводят к изменению его химических свойств.

Химические процессы изменяют строение элементарных частиц, из которых состоит данное вещество, в результате чего получаются новые вещества с новыми химическими и физическими свойствами.

СЛАЙД 3 К основным физическим процессам при сварке плавлением относятся электрические, тепловые, механические процессы в источниках нагрева; плавление основного и электродного (присадочного) металла, их перемешивание, формирование и кристаллизация сварочной ванны; ввод и распространение тепла в свариваемом соединении, приводящее к изменению структуры металла в шве и зоне термического влияния и образованию собственных сварочных деформаций и напряжений.

СЛАЙД 4 К основным химическим процессам относятся химические реакции в газовой и жидкой фазах, на границах фаз (газовой с жидкой, газовой с твердой, жидкой с твердой) при взаимодействии компонентов покрытий, флюсов, защитных газов с жидким металлом с образованием окислов, шлаков, окислением поверхности и т. д.

Физические и химические процессы при сварке сопряжены между собой по времени и пространству, поэтому их можно объединить общим понятием – физико-химические процессы.

Под действием физико-химических процессов возникает характерное строение сварного соединения.

СЛАЙД 5 Сварное соединение при сварке плавлением (рис. 1, а) включает в себя сварной шов 1, т. е. участок сварного соединения, образовавшийся в результате кристаллизации сварочной ванны, зону сплавления 2, где находятся частично оплавившиеся зерна металла на границе основного металла и шва, зону термического влияния 3, т. е. участок основного металла, не подвергшийся расплавлению, структура и свойства которого изменились в результате нагрева при сварке плавлением или резке, основной металл 4, т. е. металл подвергающихся сварке соединяемых частей, не изменивший свойств при сварке.

Соединение, выполненное сваркой давлением (рис. 2, б) в твердом состоянии, состоит из зоны соединения 2, где образовались межатомные связи соединяемых частей, зоны термомеханического влияния 3, основного металла 4.

Рис. 1 Схема сварного соединения:

а – при сварке плавлением; б – при сварке давлением; 1 – сварной шов; 2 – зона сплавления (сцепления); 3 – зона влияния; 4 – основной металл.

В формировании структуры и свойств сварного соединения при сварке плавлением определяющая роль принадлежит тепловым процессам, при сварке давлением – пластической деформации.

Плавление электродного и основного металла

Сварной шов образуется в результате кристаллизации металла сварочной ванны. При сварке без дополнительного металла расплавляется только основной металл. Металл, предназначенный для введения в сварочную ванну в дополнение к расплавленному основному металлу, называется присадочным металлом.

Расплавленные основной и присадочный металлы, сливаясь, образуют общую сварочную ванну. Границами сварочной ванны служат оплавленные участки основного металла и ранее образовавшегося шва.

Физико-химические процессы, возникающие при сварке

Существует три состояния вещества, отличающиеся между собой силами взаимодействия атомов и молекул: твердое, жидкое и газообразное. Переход вещества из одного состояния в другое сопровождается большими затратами энергии, прикладываемой извне. Для твердого и жидкого состояния характерны небольшие расстояния между молекулами, между которыми действуют силы взаимного притяжения. По мере перехода вещества в жидкое, а затем в газообразное состояние эти расстояния увеличиваются, а силы их взаимодействия снижаются. Этот процесс наглядно представлен во время сварки, когда металл плавится, частично переходит в газообразное состояние, а затем возникают обратные процессы, именуемые кристаллизацией.

Процесс плавления металла в зоне сварочного шва приводит к возникновению сложных физико-химических процессов и к образованию характерного соединения, отличающегося по своей структуре от основного металла.

Под физическими понимают процессы, которые не меняют строения элементарных частиц и не приводят к изменению химических свойств основного металла. К таким процессам относятся:

прохождение электрического тока и тепловые колебания кристаллической решетки;
переход основного и электродного вещества из твердого состояния в жидкое (плавление), перемешивание их между собой, кристаллизация металла в зоне сварочной ванны;
напряжения и деформации, возникающие в кристаллической решетке сварочного шва и прилегающей к нему зоны основного металла.

Химические процессы меняют свойства основного металла, в результате чего получаются новые соединения, имеющие отличные свойства. К основным химическим процессам относятся:

химические реакции, возникающие в газовой и жидкой фазах и на их границах;
образование оксидов, шлаков и других соединений, отличающихся своими химическими свойствами от основного металла.

Влияние физико-химических процессов, происходящих в сварочном шве на прочность соединения настолько велико, что следует рассмотреть этот вопрос более подробно.

Плавление металла

Плавление основного и присадочного материалов в процессе сварки происходит под действием концентрированной энергии, вызванной сварочной дугой, пламенем горелки или одним из других способов, о которых мы расскажем ниже. Если в зону сварки не подается дополнительный металл, то сварочная ванна образуется только за счет основного соединения. Но чаще сварочная ванна получается смешиванием основного и присадочного металла, вносимого непосредственно в зону сварки электродом, сварочной проволокой и т.д. Сливаясь и перемешиваясь между собой, основной и присадочный металл образуют общую сварочную ванну, границами которой служат оплавленные участки основного металла. Расплавленный в зоне подачи концентрированной энергии металл кристаллизуется, образуя сварочный шов.

Сварочный электрод плавится за счет тепла, сконцентрированного на его конце в приэлектродной области дуги. Количество тепла, выделяемого в этой области, напрямую зависит от силы тока и электрического сопротивления промежутка, образовавшегося между электродом и основным металлом. И чем больше вылет электрода, тем больше его сопротивление, и тем больше выделяется тепла. Нагреваясь до температуры 2300 — 2500°С, конец электрода плавится, а образовавшиеся при этом капли металла переносятся через дуговое пространство и попадают в сварочную ванну. Этому процессу способствуют электростатические и электродинамические силы, поверхностное натяжение, тяжесть металлической капли, давление газового потока, реактивное давление паров металла и т.д. Все эти силы, взаимодействуя между собой, формируют характер капельного переноса, который может быть крупнокапельным, мелкокапельным и струйным (рис.1).

Рис. 1. Расплав и перенос электродного материала: А — метод короткого замыкания; Б — капельный метод; В — cтруйный метод

Крупнокапельный перенос металла характерен для ручной дуговой сварки, мелкокапельный — для сварки под флюсом или в среде углекислого газа, а струйный - для сварки в среде аргона.

Силы поверхностного натяжения формируют каплю на конце электрода и направлены внутрь нее. В отрыве и переносе капли участвуют электродинамические силы и давление газовых потоков. И чем больше сила тока, тем больше эти силы и тем меньшими по размеру будут капли расплавленного металла. При этом происходит электрический взрыв перемычки, образованной между отделяющимся каплей и торцом электрода. Этот взрыв сопровождается выбросом части металла за пределы сварочной ванны (так называемым разбрызгиванием, когда сварочный процесс сопровождается фонтаном искр).

Основной металл плавится под воздействием сконцентрированного в активном пятне тепла, возникающего под воздействием дуги или газопламенной обработки. Электромагнитные силы, вызывающие осевое давление плазменного потока на сварочную ванну, будут пропорциональны квадрату тока, создающего электрическую дугу. Поэтому, меняя силу тока электрической дуги, меняют размеры сварочной ванны в зависимости от толщины свариваемых деталей. Зависимость размеров сварочной ванны от величины напряжения можно выразить уравнениями:

где В — ширина сварочной ванны, L — длина сварочной ванны, Н — глубина сварочной ванны, vсв — скорость сварки, S — толщина свариваемого металла, К — коэффициент, зависящий от рода тока, полярности, диаметра электрода, степени сжатия дуги и т.д.

Процесс формирования сварочной ванны, происходящий под действием силы тяжести расплавленного металла «Рм», давления сварочной дуги «Р » и сил поверхностного натяжения «Рн», представлен на рис.2.

Рис.2 Силы действующие в сварочной ванне и формирование шва: А — нижнее положение; Б — вертикальное; В — горизонтальное; Г — потолочное; Vcb — направление сварки; 1 — порез; 2 — наплыв

Формирование вертикального шва может происходить по двум направлениям - снизу вверх и сверху вниз. Когда шов формируют снизу вверх, то есть сварка выполняется на подъем, жидкий металл удерживается в ванне только силами поверхностного натяжения, а при сварке сверху вниз к этим силам добавляется давление дуги. Горизонтальный шов на вертикальной плоскости имеет свои особенности. В данном случае при неправильно выбранных режимах сварки жидкий металл может концентрироваться на нижней плоскости шва, нарушая симметрию, что в конечном итоге снижает прочность сварки.

При потолочной сварке силы, действующие на жидкую фазу металла, должны не только удерживать ее от стекания вниз, но и перемещать электродный металл в направлении, противоположном силам тяжести. Во всех указанных случаях следует ограничить размеры сварочной ванны и тепловую мощность дуги.

Кристаллизация металла

Затвердевание расплавленного металла, происходящее в хвостовой части ванны, называется кристаллизацией. Под действием сварочной дуги основной и дополнительный металлы, расплавленные в головной части ванны, перемещаются в ее хвостовую часть, где при снижении температуры подвергаются кристаллизации. Динамика этого процесса такова: сварочная дуга, направленная в головную часть ванны, повышает в этой области температуру, в результате чего происходит плавление основного и электродного металлов.

Механическое давление, оказываемое дугой на жидкую фазу основного и дополнительного металлов, вызывает их перемешивание и перемещение в хвостовую часть ванны. Таким образом, давление, вызванное дугой, приводит к вытеснению металла из основания ванны и открывает доступ к следующим слоям, где поддерживается необходимая для плавления температура. По мере удаления металла от зоны плавления отвод тепла начинает преобладать над его притоком, и температура жидкой фазы снижается.

Расплавленные фазы основного и электродного металла перемешиваются между собой и, затвердевая, образуют общие кристаллы, что обеспечивает монолитность сварочного соединения.

Снижение температуры в хвостовой части ванны происходит за счет усиленного теплоотвода в прилегающий холодный металл, так как его масса по сравнению с ванной значительно преобладает. Кристаллы металла начинают формироваться от готовых центров основного металла в направлении ведения сварки и принимают форму кристаллических столбов, вытянутых в сторону, противоположную теплоотводу.

Физико-химические процессы, возникающие при сварке

Существует три состояния вещества, отличающиеся между собой силами взаимодействия атомов и молекул: твердое, жидкое и газообразное. Переход вещества из одного состояния в другое сопровождается большими затратами энергии, прикладываемой извне. Для твердого и жидкого состояния характерны небольшие расстояния между молекулами, между которыми действуют силы взаимного притяжения. По мере перехода вещества в жидкое, а затем в газообразное состояние эти расстояния увеличиваются, а силы их взаимодействия снижаются. Этот процесс наглядно представлен во время сварки , когда металл плавится, частично переходит в газообразное состояние, а затем возникают обратные процессы, именуемые кристаллизацией.

прохождение электрического тока и тепловые колебания кристаллической решетки;
переход основного и электродного вещества из твердого состояния в жидкое (плавление), перемешивание их между собой, кристаллизация металла в зоне сварочной ванны;
напряжения и деформации, возникающие в кристаллической решетке сварочного шва и прилегающей к нему зоны основного металла/

Плавление металла

Кристаллизация металла

Физико-химические процессы при сварке

Процесс сварки плавлением - это комплекс нескольких одновременно протекающих процессов, основными из которых являются:

тепловое воздействие на металл в околошовной зоне;

кристаллизация металла шва и взаимная кристаллизация металлов в зоне сплавления.

При электродуговой сварке для нагрева и плавления металла используется теплота, выделяемая в сварочной дуге и на электродах.

Сварочной дугой называется мощный устойчивый электрический разряд, происходящий в ионизированном газовом промежутке между электродом и изделием.

катодная зона 5 (рис. 3в)(равна нескольким длинам свободного пробега нейтральных атомов ~ 0,001 мм, достигаемая температура в зоне 24000С);

столб дуги 6 (рис.3 в) (равен от 2 до 10 мм, достигаемая температура в столбе 60000С);

анодная зона 7 (рис.3в) (равна длине свободного пробега электрона ~0,01 мм, достигаемая температура в зоне 30000С).

Рис.3. Схема процесса зажигания дуги

В обычных условиях атомы газов электрически нейтральны, в момент же короткого замыкания (рис. 3 а) по цепи протекает ток, который нагревает торец электрода 1 и металл изделия 2. Процесс сопровождается образованием легко ионизирующихся паров металла и компонентов покрытия электрода.

После отвода электрода от места контакта (рис 3 б), с поверхности разогретого катода 1 происходит отрыв электронов 3 ( явление называется термоэлектронной эмиссией) . Под действием электрического поля (разности потенциалов, создаваемой источником питания между электродом 1 и изделием 2) электроны устремляются к изделию. Далее в столбе дуги электроны сталкиваются с нейтральными частицами и ионизируют их 4 (рис 3 б). При этом получается три заряженные частицы, движущиеся в электрическом поле.

Процесс ионизации приобретает лавинообразный характер (рис 4)

Рис 4. Процесс ионизации дугового промежутка

Далее электроны продолжают движение по столбу дуги, который в целом нейтрален (в каждом его сечении одновременно находятся равные количества заряженных частиц противоположного знака). Столб дуги представляет собой смесь электронов, положительных ионов, отрицательных ионов, нейтральных частиц.

Проходя в анодную зону 7 (рис 3 в), где почти отсутствует ионизация, электроны резко увеличивают скорость своего движения (к примеру: зжелеза V=1680 км/сек, зкалия V=1254 км/сек, зазота V=2280 км/сек) и, попадая на анодное пятно, тормозятся. При этом выделяется вся приобретенная ими кинетическая энергия, и температура анода становится близкой к температуре плавления металла.

Если перевести эти физико-химические процессы на язык электропараметров, которые и используются в практической работе, то получится вольт-амперная характеристика дуги (график зависимости между напряжением и силой тока)

Рис. 5. График статической вольт-амперной характеристики электрической дуги можно разделить на три участка: падающая статическая характеристика; II- жесткая; III - возрастающая

При горении сварочной дуги 2 (рис 6) происходит образование капель на конце электрода 1, их отрыв от электрода и перенос в дуге на изделие 3 в сварочную ванну.

Рис.6. Схема переноса капель через дугу

Это вызвано следующими факторами:

электромагнитными силами, возникающими при протекании электротока по дуге. Оказывают сжимающее действие на каплю металла образующуюся на конце электрода, что способствует отрыву капли от электрода и переходу её на свариваемое изделие; силой тяжести.

Рис.7. Сжимающее действие силовых магнитных линий на конец электрода

Проявляется в стремлении капли перемещаться по вертикали сверху вниз (рис.6);

силой поверхностного натяжения жидкого металла. Обусловлена действием межмолекулярного притяжения, стремится придать капле форму шара, и способствует слиянию капли с жидким металлом сварочной ванны;

неравномерной напряженностью электрического поля. Создает продольную силу, которая направлена от высокой напряженности к низкой, т.е. от электрода к сварочной ванне и содействует переносу капли от электрода к изделию;

давлением образующихся газов внутри капли. Возникает в результате металлургических процессов в расплавленном металле капли, сопровождающихся образованием газообразной окиси углерода, объем которой во много раз превышает объем расплавленного металла, вследствие чего мгновенно выделяющийся газ способствует отрыву, дроблению и переходу капли в сварочную ванну.

Величина поверхности капель при электродуговой сварке оказывает существенное влияние на характер металлургических процессов, а значит и на качество сварного соединения, так как в процессе перехода капель через дуговой промежуток протекают химические реакции между металлом, расплавленным металлом электрода и электродного покрытия (шлака) и газами среды окружающей дугу. Установлено, что чем меньше размер капель, тем меньше время их нахождения на торце электрода, благодаря чему металл капли меньше нагревается, а скорость плавления электрода увеличивается. Мелкокапельный перенос металла улучшает стабильность горения дуги, поэтому часто применяют:

Читайте также: