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: