Какие металлургические процессы протекают в сварочной ванне при сварке покрытыми электродами
Обновлено: 17.05.2024
По своей природе сварка является металлургическим процессом. Металлургия сварки характеризуется теми физико-химическими процессами, которые протекают в сварочной зоне. Они определяются взаимодействием расплавленного металла со сварочными флюсами, шлаками и газами, а также охлаждением и кристаллизацией металла шва и превращениями основного металла в зоне термического влияния. Эти процессы протекают на всех стадиях дуговой сварки: в период плавления электрода, перехода капли жидкого металла через дуговой промежуток и в самой сварочной ванне. Однако в отличие от общей металлургии, характерной для сталеплавильных агрегатов, условия протекания металлургических процессов при сварке отличаются рядом особенностей, влияющих как на ход их развития, так и на получаемые результаты. Такими особенностями являются:
1. Малый объем сварочной ванны и в то же время достаточно большие относительные количества реагирующих фаз в ней.
2. Высокие температуры в различных областях сварочной зоны и большой перегрев расплава в ванне.
3. Движение жидкого металла, интенсивное перемешивание расплавленных продуктов и их непрерывное обновление и обмен в сварочной ванне.
4. Высокие скорости охлаждения и кристаллизации наплавленного металла.
В этих условиях наблюдается активное взаимодействие расплавленного металла с окружающей газовой средой и флюсами, нагретыми до высоких температур. Протекание процессов происходит с большой скоростью. Однако в связи с кратковременностью существования расплава и постоянного обновления взаимодействующих фаз чаще всего они не доходят до полного завершения и большинство реакций в сварочной зоне не достигает равновесного состояния. К тому же создаются условия, препятствующие полному очищению металла шва от различных неметаллических включений, оксидов и газов, которые из-за быстрого затвердевания расплава не успевают выходить на поверхность сварочной ванны и удаляться в шлак. С другой стороны, высокие скорости охлаждения и кристаллизации металла существенно отражаются на строении получаемых швов, приводят к мелкозернистой структуре их, уменьшению химической неоднородности, а в результате — повышению свойств литого металла шва.
Имеющие место металлургические процессы связаны с протеканием определенных химических реакций, в результате которых может происходить окисление или раскисление металла шва, легирование его определенными элементами, растворение и выделение в шве газов и др. Некоторые из них ведут к ухудшению свойств получаемых соединений и являются нежелательными (например, окисление), другие способствуют повышению качества и свойств соединений и часто проводятся преднамеренно, например, раскисление. Поэтому в том или ином случае назначения условий сварки необходимо исходить из анализа прохождения всего комплекса физико-химических процессов, имея в виду, что общим результатом их должно быть получение металла шва с определенными свойствами и определенного химического состава. Это определяется не только составом присадочного и основного металла, но и в значительной степени зависит от характера и интенсивности реакций, протекающих в процессе сварки.
Основные металлургические процессы, протекающие в сварочной ванне
Сварочная ванна образуется в результате расплавления и перемешивания металла заготовок, металла электрода (и присадочного материала). Сварочная ванна в своей передней части контактирует с газовой атмосферой дуги; в хвостовой части контактирует со слоем расплавленного шлака; по бокам контактирует с холодным твердым металлом заготовок.
Химический состав сварочной ванны определяется составом электрода (присадочного материала) и металлом заготовок. Конечный состав шва устанавливается после протекания металлургических процессов в каплях расплавленного металла и в сварочной ванне. Особенность протекания металлургических процессов при дуговой сварке заключается в высокой скорости их протекания и кратковременностью существования сварочной ванны. Металлургические процессы, протекающие в сварочной ванне условно можно разделить на три вида: взаимодействие расплава с газовой фазой; взаимодействие расплава и шлака; кристаллизация расплава.
Взаимодействие расплавленного металла с газовой фазой определяется составом газовой атмосферы дуги, около дугового пространства и химическими свойствами элементов, содержащихся в расплавленном металле. Атмосфера дуги и около дугового пространства со-
держит смесь следующих газов: кислород, водород, азот, СО, СО2; паров: воды, металлов и шлаков. Количественное соотношение газов зависит от вида сварки, способа защиты сварочной ванны. При высоких температурах дуги газы диссоциируют и переходят в атомарной состояние. При этом возрастает их химическая активность и способность к растворению в расплаве металлов. Кислород, водород, азот попадают в зону дуги из: воздуха; сварочной проволоки; покрытий электродов; флюсов и защитных газов. Дополнительным их источником могут служить: ржавчина, оксидные пленки, органические загрязнения и конденсат на поверхностях заготовок.
Кислород, взаимодействуя с расплавом, окисляет металлы, образуя оксиды. Оксид железа растворяется в металле шва и окисляет примеси и легирующие элементы, обладающие большим химическим сродством к кислороду (кремний, марганец, титан, хром, алюминий). Полученные оксиды нерастворимы в железе, и, обычно, переходят в шлак (но, частично, они могут остаться в сварном шве в виде неметаллических включений).
Водород хорошо растворяется в расплавленном металле, и плохо растворим в твердых фазах металла. Поэтому водород может быть причиной пористости сварного шва. С рядом легирующих металлов (титан, ниобий) водород вступает в химическое взаимодействие, образуя гидриды.
Азот растворяется в расплавленном металле. При концентрации азота выше предела растворимости, он вступает в химическую реакцию с легирующими элементами (титан, алюминий), образуя нитриды.
Взаимодействие металла с газовой фазой приводит к следующим последствиям: Выгоранию легкоокисляющихся легирующих элементов и снижению их содержания в сварном шве, по сравнению с содержанием в основном металле. Снижению прочностных парамет-
ров, а главное, пластических свойств, сварного шва. Образованию посторонних включений (твердых или газообразных) в сварном шве.
Уменьшить отрицательное влияние газовой атмосферы на свойства сварного шва возможно следующими способами: Созданием эффективной защиты дуги и сварочной ванны (покрытие электродов, флюсы, защитные газы, вакуум). Тщательной очисткой свариваемых поверхностей от окислов, жировых и т. п. пленок. Прокалкой сварочных материалов, осушкой защитных газов. Введением в состав сварочных материалов элементов - раскислителей, способных связать кислород в нерастворимые окислы (для железа - марганец, кремний, титан). Применением сварочных элементов, содержащих повышенное содержание легирующих элементов, выгорающих при сварке.
Взаимодействие расплавленного металла и шлака определяется химическим составом шлака и условиями перераспределения растворимых соединений между контактирующими жидкими фазами.
Одна из задач электродного покрытия и флюса - раскислить металл сварочной ванны, удалить из нее вредные примеси за счет связывания и перевода их в шлак в виде нерастворимых соединений. Следовательно, шлаки образуются в результате расплавления электродных покрытий и флюсов и их взаимодействия с расплавом и газовой атмосферой.
При сварке сталей, в качестве раскислителей используют марганец, и кремний которые восстанавливают окись железа. Нерастворимые оксиды марганца и кремния выводятся в шлак. Марганец, дополнительно, взаимодействует с растворенной в железе серой, связывая ее в тугоплавкий сульфид марганца. Через шлак можно дополнительно легировать сварной шов.
Кристаллизация сварного шва начинается от границ оплавленных зерен и протекает путем роста столбчатых кристаллов к центру шва. Оси кристаллов перпендикулярны к поверхности движущейся
сварочной ванны. Поэтому, кристаллы изгибаются и вытягиваются в направлении сварки.
Металлургические процессы при сварке электродами с различными покрытиями
крытия практически одновременно идут процессы формирования сварочной ванны, ее газовой и шлаковой защиты от насыщения азотом, а также от окисления кислородом воздуха. Затем идут процессы нейтрализации водорода, раскисления, легирования и модифицирования, рафинирования жидкого металла, его кристаллизации, связывания продуктов всех реакций в шлаковую фазу и отделения шлаковой корки. Однако в разных типах покрытия указанные процессы осуществляются по различным физикохимическим реакциям.
Сварка электродами с рудно-кислым покрытием (А). Рудно-кислые покрытия создают значительное количество газов (СО2,
СО, Н2, Н2О) в результате разложения и окисления крахмала или органических компонентов, что и обеспечивает хорошую защиту от атмосферного воздуха. Кроме того, при нагреве Fe203 выделяется кислород, связывающий водород в нерастворимый пар Н2О. Однако для противодействия окислению металла кислородом, выделяющимся из гематита Fe203, в покрытия этого типа требуется ввести значительное количество раскислителей, главным образом ферромарганца. Так, в электродах ЦМ-7 содержится до 33 % гематита и около 30 % ферромарганца, что достаточно для восста
Рис. 10.20. Зависимость ударной вязкости от температуры испытания шва при сварке электродом с основным (кривая 1) и рудно-кислым (кривая 2) покрытиями
новления почти всего гематита. При вводе большого количества раскислителей образуется много продуктов раскисления - оксидов. Часть из них не выходит из шва и создает неметаллические включения, снижающие ударную вязкость и пластичность швов (рис. 10.20).
Окислительно-восстановительные процессы при сварке этими электродами можно описать следующими уравнениями реакций:
(Fe203) + Mn = (МпО) + 2[FeO];
[Мп] + [FeO] = (МпО) + Fe;
(Si02) + 2Мп = 2(МпО) + [Si].
Первая реакция экзотермична и выделяет значительное количество теплоты. За счет восстановления железа из покрытия коэффициент наплавки увеличивается до 10. 12 г / (А-ч). В последнее время этот принцип экзотермичности покрытия был применен для создания электродов, не требующих при сварке электрического тока. В них усилен эффект «бенгальских огней» путем ввода в покрытие соединений алюминия, магния и др., применяемых при термитной сварке.
Сварка электродами с рутиловым покрытием (Р). Иначе организованы те же процессы при сварке электродами с рутиловым
покрытием Р. Газовую защиту образует СО и СО2 при распаде кар
боната MgC03, а также СО, СН и Н2 при распаде декстрина. Связывание водорода в ОН путем окисления выполняют диссоциирующие СО2, рутил И полевой шпат, СОСТОЯЩИЙ преимущественно ИЗ Si02. Шлаковую защиту создает ТЮ2 и Si02 (из полевого шпата).
Рутил является слабым окислителем. Он не полностью диссоциирует (ТІО2 = ТІО + О), выделяя мало кислорода и сохраняя форму шлака (ТЮ). Раскислителем в этом покрытии служит FeSi. Электроды с покрытием такого типа обладают высокими технологическими свойствами - обеспечивают достаточную устойчивость горения дуги на переменном токе, хорошее формирование шва и отделяемость шлаковой корки, возможность сварки в любом пространственном положении шва. Рутиловые электроды малотоксичные и обеспечивают высокие механические свойства наплавленного металла.
Сварка электродами с основным покрытием (Б). В основном электродном покрытии типа Б газообразующим является
СаСОз, окислителями - СО2 и Si02, раскислителями - FeTi и FeSi,
а рафинирующим элементом - СаО. Одновременно СаО, CaF2 и
Si02 создают шлак, связывающий продукты раскисления.
Газовую защиту зоны сварки осуществляет СО2 вследствие разложения мрамора СаСОз. Образующийся оксид кальция СаО, не способный к диссоциации в зоне дуги, не выделяет О2 и уходит на образование шлаковой системы основного типа CaO-CaF2- Атмосфера сварочной дуги преимущественно состоит из СО, СО2 и
Н2О в виде паров воды, выделяющихся из покрытия. Чтобы снизить уровень водяного пара и водорода в зоне сварки, эти электроды перед сваркой необходимо прокаливать при высокой температуре: 600. 790 К (до 840 К). Водород, попадающий в дугу из атмосферы, связывается фтором в не растворимое в металле соединение HF.
Покрытие содержит несколько раскислителей, что позволяет получить мало окисленный и хорошо восстановленный металл с
малым содержанием Н2 (табл. 10.6). Поэтому электроды с таким покрытием называют низководородными. Присутствующий в шлаке оксид СаО хорошо рафинирует металл, что снижает склонность к образованию горячих и холодных трещин.
Таблица 10,6. Массовые доли включений, %, при использовании для сварки сталей электродов с различным типом покрытия
МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ СВАРКЕ ПОКРЫТЫМИ ЭЛЕКТРОДАМИ
ло к резкому выгоранию углерода, марганца и кремния, а вместо этого металл шва насыщался кислородом, азотом и водородом.
Изменение состава металла при плавлении электродной проволоки в воздушной атмосфере показано в табл. 10.3.
Свойства металла шва, наплавленного электродом без покрытия, очень низки (ударная вязкость падает до 0,5 МДж/м2 вместо 8 МДж/м2). Состав покрытия электродов определяется рядом функций, которые он должен выполнять: защита зоны сварки от кислорода и азота воздуха, раскисление металла сварочной ванны, легирование ее нужными компонентами, стабилизация дугового разряда. Производство электродов сводится к нанесению на стальной стержень электродного покрытия определенного состава. Электродные покрытия состоят из целого ряда компонентов, которые условно можно разделить на ионизирующие, шлакообразующие, газообразующие, раскислители, легирующие и вяжущие. Некоторые компоненты могут выполнять несколько функций одновременно, например мел, который, разлагаясь, выделяет много газа (С02), оксид кальция идет на образование шлака, а пары кальция имеют низкий потенциал ионизации и стабилизируют дуговой разряд, С02 служит газовой защитой.
Ионизирующие компоненты — соединения, содержащие ионы щелочных металлов: Na2C03, К2СО3 (поташ). Пары этих соединений снижают сопротивление дугового промежутка и делают дуговой разряд устойчивым. Также хорошо ионизируют атмосферу дугового разряда пары кальция и бария.
Шлакообразующие компоненты — минералы: полевой шпат КгО — АІгОз-бБіСЬ; мрамор, мел СаСОз, магнезит MgC03, глинозем А12Оз, флюорит CaF2, рутил ТЮ2, кварцевый песок Si02 и иногда гематит Fe203. При сплавлении эти компоненты образуют шлаки различного состава и различной основности В.
Газообразующие компоненты — вещества, разлагающиеся с выделением большого объема газа — мрамор, мел или органические вещества: декстрин, крахмал, целлюлоза, которые, сгорая в электрической дуге, дают много газообразных продуктов — С02; СО; Н2; Н20.
Раскислители и легирующие компоненты — металлические порошки или порошки ферросплавов — ферромарганец, ферросилиций, феррохром, ферровольфрам и др. Ферросплавы—это лигату-
ры, быстро растворяющиеся в жидкой стали. Только никель вводят в виде порошка металла, так как он при сварке почти не окисляется. Раскислителями кроме ферромарганца и ферросилиция могут быть ферротитан и алюминий.
Вяжущими компонентами могут быть или жидкое стекло, или (в последнее время) полимеры. Они соединяют порошки выше упомянутых компонентов в замес, который и напрессовывается на подготовленный металлический стержень в особых прессах. Можно также готовить электроды окунанием в жидкий замес, однородность которого поддерживается перемешиванием или обработкой ультразвуком. Все материалы, идущие на изготовление покрытий, должны строго контролироваться по содержанию таких вредных примесей, как сера и фосфор.
Качество полученного сварного соединения зависит от относительной массы покрытия:
где g„— масса металлического стержня электрода; gn— масса нанесенного покрытия.
Обычно электроды для сварки имеют относительную массу покрытия 25…35%, но так как плотность покрытия меньше, чем электродного металла, то по объему это будет значительно больше. Электроды для наплавочных работ, содержащие в покрытии много ферросплавов, имеют большую относительную массу покрытия (50…80%).
При больших значениях Кп растут и потери металла из-за разбрызгивания и потерь в шлаке. Производительность процесса сварки определяется коэффициентом расплавления (ар) или коэффициентом наплавки (а„), который несколько меньше, так как учитывает потери металла (ф). Примерное соотношение этих коэффициентов в зависимости от толщины покрытия приведено на рис. 10.14. В нормальных сварочных электродах поддерживается значение Ка около 30%.
Электроды для сварки классифицируются в соответствии с ГОСТ 9467—75 (табл. 10.4). В основу классификации положены механические свойства металла шва и сварного соединения в целом. Тип электрода определяется буквой Э с цифрой, показывающей гарантированное временное сопротивление наплавленного металла в десятках мегапаскалей.
Например, электроды Э-42 обеспечивают гарантированное временное сопротивление 420 МПа. Если
Процесс сварки покрытыми электродами представлен на рис. 10.15. Электрический дуговой разряд возникает при касании изделия и горит между электродом и сварочной ванной. Электродный стержень плавится быстрее, чем покрытие, и на торце электрода образуется углубление (втулка), которое направляет поток газов и капли металла в сварочную ванну. Капли металла проходят через дуговой промежуток уже закрытые тонким слоем шлака. Капля активно взаимодействует со шлаком и газами дугового промежутка и, попадая в ваину, освобождается от шлака, который всплывает и оттесняется давлением дуги. Плавящийся на торце электрода металл растворяет в себе раскислители, имеющиеся в покрытии. В кристаллизующемся металле ванны идет интенсивная диффузия между основным металлом ванны, но из-за ограниченности времени невозможна гомогенизация металла и всегда существует определенный градиент концентраций между металлом шва и основным металлом.
В основном окислительно-восстановительные реакции между шлаком и металлом сходны с рассмотренными ранее прн автоматической сварке под флюсом.
Рассмотрим металлургические процессы при сварке электродами различных групп.
Электроды группы А при сварке создают значительное количество газов (СОг; СО; Н2; НгО) в результате разложения и окисления органических компонентов и обеспечивают хорошую защиту от атмосферного воздуха.
Содержание гематита Fe203 в покрытиях этого типа требует значительного количества раскислителей, главным образом ферромарганца. Так, в электродах ЦМ-7 содержится до 33% гематита и около 30% ферромарганца, что достаточно для восстановления почти всего железа, но все же в сварочную ваину переходит достаточное количество марганца.
Окислительно-восстановительные процессы при сварке этими электродами можно передать следующими уравнениями реакций:
(Fe2Os)+3Mn->3MnO + 2Fe (АЯ°<0);
(Fe203) +Mn-> (МпО) +2 [FeO] (ДЯ°<0);
( Si02 ) +2Mn->2(MnO) + [Si];
[Mn] + [FeO] (MnO) + Fe;
Первые два процесса экзотермичны и выделяют значительное количество теплоты. Восстановление железа из покрытия увеличивает коэффициент наплавки до 10…12 г/(А-ч).
Электроды группы Б при сварке осуществляют защиту зоны сварки вследствие разложения мрамора СаСОз, а оксид кальция СаО уходит на образование шлаковой системы основного типа СаО — CaF2. Атмосфера сварочной дуги состоит из СО, С02, Н2 и Н20. Пары воды выделяются из покрытия и во избежание появления водорода в зоне сварки эти электроды надо перед сваркой прокаливать при температуре 470…520 К (до 570 К).
Содержание в покрытии нескольких раскислителен позволяет получить хорошо восстановленный металл, содержащий мало серы и не склонный к образованию горячих трещин. При сварке высокопрочных, жаропрочных сталей применяют покрытия с пониженным содержанием СаСОэ (15…20%), увеличивая CaF2 (60…80%). В этом случае удается избежать поглощения углерода сварочной ванной и обеспечить содержание углерода в металле шва на уровне (0,05…0,02%)С, как это требуется по техническим условиям. Недостаток этих электродов — малая устойчивость дугового разряда, требующая сварки на постоянном токе обратной полярности. Таким образом, технологические возможности электродов группы Б несколько ниже, чем электродов группы А. Повышенное содержание CaF2 вызывает образование токсичных соединений и требует создания надежной вентиляции.
Электроды группы Р осуществляют защиту зоны сварки шлаками на основе Ті02, полевого шпата (Na20-Al203- •6Si02), магнезита MgC03, который, разлагаясь, дает большой объем С02, но, кроме того, защитная атмосфера пополняется органическими компонентами. Электроды этой группы обладают высокими технологическими свойствами — обеспечивают высокую устойчивость горения дуги, хорошее формирование шва и отделяемость шлаковой корки, возможность сварки в любом пространственном положении шва. Кроме того, рутиловые электроды малотоксичны и обеспечивают высокие механические свойства у наплавленного металла.
Электроды группы Ц с органическим покрытием содержат в своем составе до 50% органических веществ (пищевая мука, целлюлоза) и при их разложении и окислении выделяется большое количество газа, обеспечивающего хорошую защиту от воздушной среды. Для предотвращения водородной хрупкости или появления пор при сварке надо вводить окислители: Ті02, FeO, Мп02. Для уменьшения влияния водорода в покрытия вводят также плавиковый шпат CaF2. Надежная газовая защи-
Таблица 10.5. Массовые доли включений, %, при использовании для сварки сталей электродов различных групп
Уменьшить отрицательное влияние газовой атмосферы на свойства сварного шва возможно следующими способами: Созданием эффективной защиты дуги и сварочной ванны (покрытие электродов, флюсы, защитные газы, вакуум). Тщательной очисткой свариваемых поверхностей от окислов, жировых и т. п. пленок. Прокалкой сварочных материалов, осушкой защитных газов. Введением в состав сварочных материалов элементов — раскислителей, способных связать кислород в нерастворимые окислы (для железа — марганец, кремний, титан). Применением сварочных элементов, содержащих повышенное содержание легирующих элементов, выгорающих при сварке.
Одна из задач электродного покрытия и флюса — раскислить металл сварочной ванны, удалить из нее вредные примеси за счет связывания и перевода их в шлак в виде нерастворимых соединений. Следовательно, шлаки образуются в результате расплавления электродных покрытий и флюсов и их взаимодействия с расплавом и газовой атмосферой.
Читайте также: