Окисление железа и легирующих элементов при сварке вызывают
Обновлено: 20.09.2024
Вы здесь: ГлавнаяMain Menu
Способы дуговой сварки - Металлургические реакции при сварке
При сварке без защиты расплавляемый металл интенсивно поглощает газы атмосферы, поэтому сварные швы обладают низкими механическими свойствами. Для изоляции металла от воздуха в процессе сварки применяют различные средства защиты: электродные покрытия, флюсы, защитные газы, вакуум. Однако полностью изолировать металл от воздуха обычно не удается, сами средства защиты также взаимодействуют с металлом, даже инертный газ и вакуум, содержащие некоторое количество примесей. Химические реакции взаимодействия расплавленного металла с газами и средствами защиты называются сварочными металлургическими реакциями. Выделяют две основные зоны или стадии взаимодействия расплавленного металла с газами и шлаком — торец электрода с образующимися на нем каплями и сварочную ванну. Полнота протекания металлургических реакций зависит от температуры, времени взаимодействия, поверхности и концентрации реагирующих веществ. Характерные условия металлургических реакций при сварке, как и при кристаллизации,— высокая температура нагрева, относительно малый объем расплавляемого металла, кратковременность процесса. Средняя температура капель электродного металла, поступающих в ванну, увеличивается с увеличением плотности тока и составляет при сварке сталей от 2200 до 2700°С, т. е. характеризуется значительным перегревом. Температура сварочной ванны при дуговой сварке также характеризуется значительным превышением над точкой плавления, перегрев составляет 100—500°С. Высокая температура способствует высокой скорости протекания реакций, однако из-за больших скоростей охлаждения реакции при сварке обычно не успевают завершиться полностью. Металлургические реакции при сварке одновременно протекают в газовой, шлаковой и металлической фазах. Взаимодействие металла с газами. При дуговой сварке газовая фаза зоны дуги, контактирующая с расплавленным металлом, состоит из смеси N2, 02, Н2, С02, СО, паров Н20, а также продуктов их диссоциации и паров металла и шлака. N2 попадает в зону сварки главным образом из воздуха, источниками 02 и Н2 являются воздух, сварочные материалы (электродные покрытия, флюсы, защитные газы и т. п.), а также окислы, поверхностная влага и другие загрязнения на поверхности основного и присадочного металлов. Наконец, 02, Н2 и N2 мбгут содержаться в избыточном количестве в переплавляемом металле. В зоне высоких температур происходит распад молекул газа на атомы (диссоциация). Молекулярный кислород, азот и водород распадаются и переходят в атомарное состояние 0 а ^20 , N2 ^2N, Н 2 ^2Н . Активность газов в атомарном состоянии резко повышается. При контакте расплавленного металла, содержащегося в газовой или шлаковой фазе, происходит растворение 02 в металле, а при достижении предела растворимости — химическое взаимодействие с образованием окислов. Одновременно происходит окисление примесей и легирующих элементов, содержащихся в металле. В первую очередь окисляются элементы, обладающие большим сродством к 02. Например, Ti окисляется по реакции Ti+0 2=Ti02, Мп — по реакции Мп+0 2=Мп0 2. Железо образует с 02 три соединения (оксида): оксид железа FeO, содержащий 22,27% 02; оксид железа Fe304, содержащий 27,64% 02; оксид железа Fe02, содержащий 30,06% 02 . Наличие этих соединений в металле снижает его прочностные и пластические свойства. Азот растворяется в большинстве конструкционных материалов и со многими элементами образует соединения, которые называются нитридами. С железом он образует нитриды Fe2N (11,15% N2) И Fe,N (5,9% N2), что вызывает охрупчивание, поры и старение сталей. Водород также растворяется в большинстве металлов. Металлы, способные растворять Н2, можно разделить на две группы. К первой относятся металлы, не имеющие химических соединений с Н2 (Fe, Ni, Со, Си и др.). Ко второй группе относятся металлы (Ti, Zr, V, Nb, Та, Ра, редкоземельные элементы и др.), образующие с водородом химические соединения, которые называются гидридами. Водород очень вредная примесь, так как является причиной пор, микро и макротрещин в шве и в зоне термического влияния. Углекислый газ, присутствующий в зоне дуги при сварке в С02, активно окисляет металл по реакции, которая протекает в две стадии: С02ч±С0+1/202, Реж+1/202=[Ре0]. В суммарном виде реакция имеет вид С0 2 +Ре ж = =[FeO]+COf, где [FeO]— оксид железа, растворившийся в железе. Образующаяся окись углерода СО в металле шва не растворяется, в процессе кристаллизации сварочной ванны она выделяется и может образовать поры. Углекислый газ применяют для защиты зоны сварки при использовании раскисляющих элементов (Mn, Si), нейтрализующих окислительное действие С02. Водяной пар, находящийся в газовой фазе, взаимодействует с жидким металлом по уравнению H20+Fe== = [FeO]+H2. Основные способы борьбы с вредным влиянием газов — качественная защита и применение элементов раскислите лей в сварочных материалах. Взаимодействие металла со шлаком. При расплавлении электродного покрытия, сварочного флюса, сердечника порошковой проволоки образуется шлак. Основное назначение сварочного шлака — изоляция расплавленного металла от воздуха. Флюсы и покрытия стабилизируют дугу, способствуют качественному формированию шва, осуществляют металлургическую обработку расплавленного металла — его раскисление и легирование. Характерными реакциями раскисления являются реакции раскисления закиси железа кремнием и марганцем, содержащимися в сварочных флюсах и покрытиях: 2FeO+ +Si^2Fe+SiOa, FeO+Mn^Fe+MnO. Оксиды кремния и марганца переходят в шлак. Сварочные материалы наряду с окислителями могут содержать вредные компоненты — S и Р, которые являются причиной горячих трещин и охрупчивания металла шва. Сера, соединяясь с Fe, образует сульфид железа FeS. Металл очищают от S, вводя более активный элемент, чем свариваемый металл, по реакции FeS+Mn^ ^Fe+MnS . Сульфид марганца менее растворим встали, чем сульфид железа, что вызывает перераспределение серы из расплавленного металла в шлак. Химический состав металла шва. Химический состав металла шва и его свойства зависят от состава и доли участия в формировании шва основного и электродного (присадочного) металла, реакций взаимодействия расплавляемого металла с газами атмосферы и защитными средствами. Металл шва в общем случае при сварке плавящимся электродом или применении металлических присадок (проволоки, порошка и т. п.) образуется в результате перемешивания в ванне основного и электродного (присадочного) металла. Доля основного металла (ф0) в шве зависит от вида соединения (с разделкой, без разделки), вида и режима сварки и может быть определена по отношению площади, занятой основным металлом в поперечном сечении шва, ко всей его площади (рис. 27): .=Fnp/(Fnp+F<>)> где F Fnp — площади, занятые основным и электродным (присадочным) металлом соответственно. При ручной дуговой сварке покрытым электродом доля основного металла в шве составляет 0,15—0,40 — при на 3—458 65 плавке валиков, 0,25—0,50 — при сварке корневых швов, 0,25—0,60— при сварке под флюсом. При отсутствии химических реакций в зоне сварки содержание любого элемента в металле шва (Сш) может быть найдено по формуле, где С0, Сэ— исходное содержание элемента в основном и электродном металле, F0 — доля основного металла. Например, определим содержание никеля в металле шва при дуговой сварке стали, содержащей 1,2% Ni, с использованием электродной проволоки с содержанием 1,5% Ni (сварка встык без разделки). Принимая среднее значение Чго=0,3, получаем Сш(№ %)=(1,2 0,3)+[1,5-(1-0,3)1=1,41%. В случае химических реакций расплавленного металла с газами, покрытиями, шлаковой ванной состав металла шва определяют с учетом коэффициентов перехода, показывающих, какая доля металла, содержащегося в электродной проволоке, переходит в металл шва Сш==С0Чг0+,пСэ(1— где г] — коэффициент перехода, он изменяется в широких пределах (0,3—0,95) в зависимости от химической активности элемента, вида и технологии сварки и др. § 11. Технология ручной дуговой сварки Выбор режима ручной дуговой сварки. Под режимом сварки понимают совокупность контролируемых параметров, определяющих условия сварки. Параметры режима сварки подразделяют на основные и дополнительные. К основным параметрам режима ручной сварки относят диаметр электрода, величину, род и полярность тока, напряжение на дуге, скорость сварки. К дополнительным относят величину вылета электрода, состав и толщину покрытий электрода, положение электрода и положение изделия при сварке. Диаметр электрода выбирают в зависимости от толщины металла, катета шва, положения шва в пространстве. Примерное соотношение между толщиной металла 5 и диаметром электрода dd при сварке в нижнем положении шва составляет: Сил а ток а в основном зависит от диаметра электрода, но также от длины его рабочей части, состава покрытия, положения сварки. Чем больше ток, тем больше производительность, т. е. большее количество наплавляемого металла: G=aH/CBtf, где G — количество наплавленного металла, г; коэффициент наплавки, г/(А ч); /с в — сварочный ток, A; t — время, ч. Однако при чрезмерном токе для данного диаметра электрода электрод быстро перегревается выше допустимого предела, что приводит к снижению качества шва и повышенному разбрызгиванию. При недостаточном токе дуга неустойчива, часто обрывается, в шве могут быть непровары. Величину тока можно определить по следующим формулам: при сварке конструкционных сталей для электродов диаметром 3—6 мм /d=(20+6da)da; для электродов диаметром менее 3 мм где da — диаметр электрода, мм. Сварку швов в вертикальном и потолочном положениях выполняют, как правило, электродами диаметром не более 4 мм. При этом сила тока должна быть на 10—20% ниже, чем для сварки в нижнем положении. Напряжение дуги изменяется в сравнительно узких пределах — 16—30 В.
Окисление легирующих элементов при сварке (наплавке) покрытыми электродами
Установки для автоматической сварки продольных швов обечаек - в наличии на складе!
Высокая производительность, удобство, простота в управлении и надежность в эксплуатации.
Сварочные экраны и защитные шторки - в наличии на складе!
Защита от излучения при сварке и резке. Большой выбор.
Доставка по всей России!
При дуговой сварке большое значение имеет введение в сварочную ванну легирующих добавок для получения шва требуемой композиции и свойств. В большинстве случаев даже при использовании пассивных защитных сред приходится считаться с определенным окислением металла в зоне сварки, связанным с несовершенством защиты сварочной ванны от атмосферного воздуха и реакциями, протекающими в электродном покрытии при его нагреве, а также с непосредственным окислительным воздействием покрытия на наплавляемый металл, поскольку образующаяся газовая защита не нейтральна по отношению к нему, а в определенной степени химически взаимодействует с наплавляемым металлом. Это же самое можно сказать и об образующихся шлаках.
Чем активнее окисляется легирующий элемент в сварочной ванне, тем менее полно он усваивается металлом шва. Поэтому для оценки поведения каждого легирующего элемента в сварочной ванне необходимо знать его химическое сродство к кислороду, определяемое по значению упругости диссоциации его оксида. При прочих равных условиях (концентрация, температура, состав шлаковой и газовой фаз) отдельные элементы, присутствующие в сварочной ванне, по возрастающему сродству к кислороду могут быть расположены в следующий ряд (при температуре до 1600°С):
Cu → Ni → Со →Fe → W → Мо → Cr → Мn → V → Si → Ti → Zr → Al.
В результате в процессе сварки элементы, расположенные в указанном ряду слева от железа, практически полностью усваиваются сварочной ванной (при сварке сталей). Однако при введении названных элементов в электродное покрытие возможны их потери на окисление в процессе замеса или прокалки.
Вольфрам и молибден, расположенные в рассматриваемом ряду по соседству с железом справа, также достаточно полно усваиваются сварочной ванной. Остальные элементы заметно окисляются в сварочной ванне и тем больше и активнее, чем дальше вправо они находятся от железа. Поэтому при наличии окислительных условий весьма трудно, к примеру, легировать сварочную ванну такими особо активными элементами, как цирконий, титан и алюминий. Легко окисляющиеся элементы с относительно малым значением упругости диссоциации их оксидов достаточно полно усваиваются сварочной ванной только при предельно возможном снижении окислительных условий.
При прочих равных условиях введение в сварочную ванну элемента с большим сродством к кислороду предохраняет от активного окисления другие менее активные элементы. Например, для более полного усвоения металлом шва титана в зону сварки целесообразно вводить цирконий или алюминий и т. д.
По материалам: Н.Н. Потапов. Сварочные материалы для дуговой сварки. -М. Машиностроение. 1993
Вредные вещества, сопровождающие процесс сварки
Как известно, сварочные процессы отличаются интенсивными тепловыделениями (лучистыми и конвективными), пылевыделениями, приводящими к большой запыленности производственных помещений токсичной мелкодисперсной пылью, и газовыделениями, действующими отрицательно на организм работающих. Некоторые процессы, например, плазменно-дуговая резка, сопровождаются, кроме того, интенсивным шумом, также создающим неблагоприятные условия труда.
Высокая температура сварочной дуги способствует интенсивному окислению и испарению металла, флюса, защитного газа, легирующих элементов. Окисляясь кислородом воздуха, эти пары образуют мелкодисперсную пыль, а возникающие при сварке и тепловой резке конвективные потоки уносят газы и пыль вверх, приводя к большой запыленности и загазованности производственных помещений. Сварочная пыль — мелкодисперсная, скорость витания ее частиц — не более 0,08 м/с, оседает она незначительно, поэтому распределение ее по высоте помещения в большинстве случаев равномерно, что чрезвычайно затрудняет борьбу с ней.
Основными компонентами пыли при сварке и резке сталей являются окислы железа, марганца и кремния (около 41, 18 и 6% соответственно). В пыли могут содержаться другие соединения легирующих элементов. Токсичные включения, входящие в состав сварочного аэрозоля, и вредные газы при их попадании в организм человека через дыхательные пути могут оказывать на него неблагоприятное воздействие и вызывать ряд профзаболеваний. Мелкие частицы пыли (от 2 до 5 мкм), проникающие глубоко в дыхательные пути, представляют наибольшую опасность для здоровья, пылинки размером до 10 мкм и более задерживаются в бронхах, также вызывая их заболевания.
К наиболее вредным пылевым выделениям относятся окислы марганца, вызывающие органические заболевания нервной системы, легких, печени и крови; соединения кремния, вызывающие в результате вдыхания их силикоз; соединения хрома, способные накапливаться в организме, вызывая головные боли, заболевания пищеварительных органов, малокровие; окись титана, вызывающая заболевания легких. Кроме того, на организм неблагоприятно воздействуют соединения алюминия, вольфрама, железа, ванадия, цинка, меди, никеля и других элементов.
Биологические свойства электросварочной пыли полно и хорошо описаны в работе К. В. Мигая, в которой анализируются три основных гигиенических показателя вредности пыли: растворимость, задержка при дыхании легочной тканью и фагоцитоз. Многие из исследований (например, растворимость электросварочной пыли в организме) представляют большую практическую ценность при оценке агрессивности сварочного аэрозоля.
Вредные газообразные вещества, попадая в организм через дыхательные пути и пищеварительный тракт, вызывают иногда тяжелые поражения всего организма. К наиболее вредным газам, выделяющимся при сварке и резке, относятся окислы азота (особенно двуокись азота), вызывающие заболевания легких и органов кровообращения; окись углерода (удушающий газ) — бесцветный газ, имеет кисловатый вкус и запах; будучи тяжелее воздуха в 1,5 раза, уходит вниз из зоны дыхания, однако, накапливаясь в помещении, вытесняет кислород и при концентрации свыше 1 % приводит к раздражению дыхательных путей, вызывает потерю сознания, одышку, судороги и поражение нервной системы; озон, запах которого в в больших концентрациях напоминает запах хлора, образуется при сварке в инертных газах, быстро вызывает раздражение глаз, сухость во рту и боли в груди; фтористый водород — бесцветный газ с резким запахом, действует на дыхательные пути и даже в небольших концентрациях вызывает раздражение слизистых оболочек.
При сварке в среде защитных газов торированными вольфрамовыми электродами марок ВТ-10, ВТ-15 в воздух выделяются окислы тория и продукты его распада, которые представляют радиационную опасность.
Подробные сведения о вредных воздействиях на организм разных элементов и соединений приведены в специальной литературе.
Помимо аэрозолей и газов неблагоприятное влияние на работающих в сварочных производствах оказывает еще ряд явлений, не устраняющихся с помощью вентиляции, но в совокупности с вредными веществами ухудшающих условия труда. Это — лучистая энергия сварочной дуги, ультрафиолетовая и инфракрасная радиация, вызывающие ожоги открытых частей тела и иногда (особенно летом) перегрев организма; шум, который в сочетании с ультразвуковыми колебаниями вызывает стойкое понижение слуха у работающих. Помимо шумов, создаваемых сваркой, большим шумом сопровождаются заготовительные операции (рихтовка, правка, сборка) и особенно плазменно-дуговая резка Создают шум и плохо сбалансированные вентиляционные установки (или смонтированные без виброоснований).
Как видно, причин профессиональных заболеваний сварщиков, газорезчиков и других работников сварочных производств много. Знание гигиенических особенностей основных видов сварки и резки способствует успешной борьбе за создание благоприятных условий труда, требуемой чистоты воздуха в рабочей зоне путем разработки рациональных и эффективных систем местной и общеобменной вентиляции, применения средств индивидуальной защиты глаз, рук и т. д. Практика показывает, что вентиляция в совокупности с комплексом мероприятий технологического и организационного характера позволяет снизить концентрации вредных веществ до предельно допустимых и способствует значительному оздоровлению условий труда работающих в сварочных цехах.
В.Л. Писаренко, М.Л. Рогинский. "Вентиляция рабочих мест в сварочном производстве", Москва, Машиностроение, 1981
Окисление железа и легирующих элементов при сварке вызывают
Процессы, протекающие при плавлении и остывании металла в сварном шве
В процессе сварки расплавленный металл сварочной ванны вступает во взаимодействие с газами, находящимися в пламени горелки или в воздухе. В результате такого взаимодействия могут произойти испарение, окисление (соединение с кислородом) и выгорание компонентов (составляющих) металлического сплава, раскисление расплавленного металла, насыщение металла углеродом или водородом и другие явления.
Испарение металлов. При сварке металлы нагреваются до температуры, которая может быть равной или близкой к температуре кипения, в результате чего происходит1 их интенсивное испарение. Особенно легко испаряются цинк, магний, свинец. Испарение металлов при сварке сплавов (особенно медно-цинковых, алюминиево-магниевых, железомарганцевых и других) может привести к значительному уменьшению концентрации отдельных составляющих, что в свою очередь повлечет за собой значительное изменение свойств металла.
Окисление металла при сварке. Металл окисляется преимущественно газами пламени горелки или при проникновении кислорода воздуха из окружающей среды. Некоторое значение может иметь и окисление расплавляемого металла окислами (окалина, ржавчина), находящимися на поверхности свариваемого металла или присадочной проволоки.
Растворяясь в стали, кислород вступает в соединение не только с железом, но и с примесями, что увеличивает общее содержание кислорода в стали. Наличие кислорода в стали (в виде окислов или в чистом виде) приводит к понижению механических свойств металла.
В процессе окисления содержание в металле некоторых элементов уменьшается, так как они выгорают. Так, при сварке стали выгорают углерод, кремний и марганец. В результате выгорания указанных элементов свойства стали изменяются. Например, при выгорании углерода образуется окись углерода, которая, выходя из ванны, вызывает кипение ее и усиливает разбрызгивание металла сварочной ванны, — шов получается пористым с пониженными механическими свойствами.
Раскисление металла. При совместном существовании в жидком металле нескольких разнородных окислов между ними могут происходить химические реакции, в результате чего получаются соединения, имеющие температуру плавления ниже температуры плавления исходных окислов.
Эта особенность облегчает удаление окислов из металла, так как полученные соединения, имея низкую температуру плавления, находятся все время в жидком состоянии и легко удаляются из расплавленной ванны.
При сварке ряда металлов применяются флюсы, в состав которых входят компоненты, способствующие образованию таких легкоплавких соединений.
Таким образом, под раскислением следует понимать удаление из металла кислорода, находящегося в нем в виде различных окислов.
Процессы раскисления и окисления происходят одновременно и взаимосвязано. Так, например, восстановление окислов железа и стали в условиях сварки осуществляется преимущественно углеродом, кремнием и в небольшой степени марганцем, т. е. при этом окисляются три элемента за счет кислорода окислов железа. Возможность протекания этих реакций зависит от температуры и процентного содержания элементов.
Наличие в стали легирующих примесей (кремния, марганца, хрома, титана и др.), которые легче окисляются, уменьшает окисление углерода, так как восстановление окислов железа происходит в основном за счет окисления этих примесей.
Раскисление сварочной ванны может в некоторой степени осуществляться углеродом, окисью углерода или водородом, имеющимися в пламени горелки. При этом пламя не только восстанавливает окислы, но и предохраняет расплавленный металл от окисления его кислородом и насыщения азотом воздуха, при растворении которых шов получается хрупким. Нужно иметь в виду, что ацетиленокислородное пламя является слабым восстановителем, так как газы пламени действуют главным образом лишь на поверхности сварочной ванны. Поэтому газовую смесь сварочного пламени по отношению к расплавленному железу правильнее рассматривать не как раскислитель, восстанавливающий окислы железа, а как защитную среду, затрудняющую доступ кислорода к сварочной ванне и замедляющую окисление металла. Это особенно ярко выявляется при сварке высокоуглеродистых и высоколегированных сталей, а также при сварке меди, латуни, бронзы и алюминиевых сплавов, раскисление которых одним пламенем оказывается недостаточным. В таких случаях требуется применять флюсы, которые способствуют удалению окислов из металла.
Таким образом, для полного раскисления металла путем восстановления окислов, которые растворены в ванне, необходимо применять более сильные раскислители. Такими раскислителями, в частности, могут быть кремний и марганец. Вводить эти элементы можно путем применения специальных легированных присадочных проволок или путем нанесения специальных обмазок на малоуглеродистую сварочную проволоку.
Имеющиеся в проволоке отдельные примеси влияют на процесс сварки различно: одни примеси улучшают механические свойства металла шва, другие вызывают интенсивное образование газов или вязких и тугоплавких шлаков в сварочной ванне, что приводит к пористости металла шва и загрязнению его неметаллическими включениями.
Рассмотрим, как влияют отдельные элементы присадочной проволоки на процесс сварки.
Углерод при большом содержании усложняет сварку, вызывая значительное газообразование в ванне и кипение ее в процессе сварки, способствует нежелательному росту зерна металла шва и уменьшает его пластические свойства. Нормальным содержанием углерода в присадочной проволоке для сварки малоуглеродистой стали следует считать 0,06—0,18%. В присадочных стержнях для сварки серого чугуна количество углерода доводится до 3,5—4%, что необходимо для получения в шве структуры серого чугуна.
Марганец при содержании его в малоуглеродистой проволоке приблизительно до 1% является хорошим раскислителем. Более высокое содержание марганца приводит к нежелательному образованию в металле шва шлаков. Если же в присадочной проволоке наряду с высоким содержанием марганца имеет место повышенное содержание углерода, то сварной шов может приобрести склонность к закалке. В стержнях для сварки чугуна содержание марганца как элемента, способствующего отбеливанию чугуна, ограничивается 0,5-0,6%.
Кремний является раскислителем при сварке стали. При большом содержании его на поверхности ванны образуется тугоплавкий и вязкий шлак, препятствующий выходу газов из сварочной ванны при ее застывании. Металл шва при этом получается пористым и загрязненным шлаками. Поэтому в малоуглеродистой проволоке содержание кремния ограничивается 0,03%.
При раскислении и легировании наплавленного металла более благоприятные результаты дает проволока, содержащая в необходимых количествах одновременно как марганец, так и кремний.
Сера вызывает красноломкость сварного шва, способствует появлению в нем пористости и трещин. Поэтому содержание серы в проволоке допускается в количестве не более 0,03—0,04%. В чугуне сера также является вредной примесью, так как сообщает ему тугоплавкость, способствует образованию пор в металле шва. Содержание серы в чугунных прутках ограничивается 0,08%.
Фосфор вызывает хладноломкость стали, сильно понижает ее пластические свойства. Содержание фосфора в присадочной проволоке не должно быть выше 0,03—0,04%. В чугунных прутках содержание фосфора доходит до 0,5—0,8%, так как он способствует жидко текучести чугуна и хорошему заполнению расплавленным металлом резделки кромок чугунного изделия.
Помимо указанных элементов, в состав проволоки могут входить хром, никель, молибден. Содержание их в проволоке благоприятно влияет на качество сварки. Они способствуют раскислению металла шва, восполняют выгорающие элементы, улучшают химический состав металла шва.
При сварке меди для раскисления сварочной ванны применяют медную проволоку с небольшим содержанием фосфора, который является раскислителем по отношению к окиси меди.
Водород, имеющийся в пламени с избытком ацетилена, растворяясь в металле, ухудшает его свойства. Например, при сварке меди растворение водорода приводит к появлению пор и микротрещин. Аналогичные явления могут наблюдаться при растворении водорода в стали.
Растворение в металле шва серы и фосфора может происходить при большом содержании их соединений в пламени горелки. При увеличении содержания серы могут образоваться горячие трещины; Поэтому при сварке металлов, чувствительных к таким примесям (например, никеля), необходимо применять только хорошо очищенный ацетилен.
Классификация способов сварки - Металлургические процессы при сварке плавлением
При всех способах сварки плавлением в сварочной ванне происходят те же процессы, что и в металлургических печах при выплавке металлов и их сплавов. Это плавление, взаимодействие жидкого металла с газами и компонентами шлаков, легирование металла и выгорание (испарение, окисление) легирующих компонентов, затвердевание металла, структурные изменения в нем. Однако при сварке эти процессы протекают в особенно жестких условиях. Массы нагреваемого и расплавляемого металла при сварке малы: граммы при лучевых способах сварки или килограммы при электрошлаковой сварке по сравнению с тоннами в мартеновской разность температур вызывает конвективные потоки в жидком металле. Химические реакции в этих условиях протекают с большой скоростью, особенно на границах между металлом и газом, жидким шлаком и газом, металлом и шлаком. Нагрев и охлаждение металла при сварке происходят очень быстро, поэтому среднее время протекания химических реакций составляет 0,001. 1,5 с. За это время реакции не успевают дойти до равновесного состояния. Химический состав металла шва формируется окончательно только после его затвердевания.
Взаимодействие металла шва с газами. При сварке плавлением газы поступают в металл шва из воздуха, из основного и присадочного металла, где они содержатся в растворенном состоянии и в виде поверхностных пленок, из примесей в защитной атмосфере, из влаги и окислов - компонентов флюса или электродной обмазки. Растворяются в основном азот и водород. Инертные газы в металлах не растворяются. Кислород, попадая в металл шва, окисляет его. С железом кислород образует три окисла. Первый получается при непосредственном окислении железа: 2Fe + 02 = 2FeO. Это закись железа. Она хорошо растворяется в жидком железе. Но ее растворимость зависит от температуры, поэтому при охлаждении сварочной ванны закись железа выпадает из раствора по границам зерен затвердевающего металла как более легкоплавкий компонент. Соединяясь с кислородом, закись железа образует окись-закись железа (окалину): 6FeO + 02 = 2Fe304. В железе она не растворяется. Выпавшая по границам зерен закись железа при охлаждении ниже температуры 570 °С может непосредственно преобразовываться в окись-закись в виде глобул ей (шариков): 4FeO -»Fe304 + Fe. Это нарушает связь между зернами, металл шва становится хрупким. Из окиси-закиси при последующем окислении образуется окись железа: 4Fe304 + 02 = В железе она не растворяется. С водой образует гидрат (ржавчину): Fe203*H20. При нагреве гидратная влага, разлагаясь, увеличивает количество газов в сварном шве и может вызвать пористость. Другие металлы, соединяясь с кислородом, образуют окислы: 2Ni + 02 = 2Ni0 - закись никеля; 2Cu + 02 = 2Cu0 - окись меди; 4Cu + 02 = 2Cu20 - закись меди; Ti + O2 = ТЮ2 - двуокись титана; 4A1 + ЗО2 = 2AI2O3 - окись алюминия с температурой плавления 2050 °С и плотностью 3,77. 4,0 г/см3. Этот окисел создает главную трудность при сварке алюминия. При температуре сварки он не расплавляется, затрудняя образование сварочной ванны. Кусочки его образуют в металле шва включения окисных пленок. Кислород засоряет шов оксидами легирующих элементов: 2Мп + 02 = 2МпО - окись марганца; Si + О2 = Si02 - двуокись кремния. Кислород ухудшает механические свойства сварных швов (рис. 13, а), понижает их коррозионную стойкость, ухудшает электрические и магнитные свойства. Уменьшить содержание кислорода в металле шва можно путем раскисления. Различают два способа раскисления: диффузионное и раскисление осаждением. При раскислении осаждением железо восстанавливают из растворенной закиси железа элементами, обладающими более высоким химическим сродством к кислороду и дающими оксид, слабо растворимый в железе (Al, Ni, Si, Мп, Сг, С). Эти элементы вводят через флюс или обмазку в виде порошков или ферросплавов. Если обозначить вещества, находящиеся в металлическом расплаве, квадратными, а в шлаке - круглыми скобками, то типовая реакция раскисления осаждением будет иметь вид: [FeO] + (Me) [Fe] + (MeO). Новый оксид всплывает и переходит в шлак. Диффузионное раскисление - это направленная диффузия окисла из жидкого металла в шлак. Она основана на законе Нернста, согласно которому соотношение концентраций какоголибо вещества в двух несмешивающихся растворителях - величина постоянная: . : (МеО)/[МеО] = const. Если в шлак добавить раскислитель или разбавить его нейтральным компонентом, то концентрация (МеО) в шлаке уменьшится и начнется диффузия этого окисла из металла сварочной ванны в шлак. Азот образует с металлами химические соединения - нитриды: 8Fe + N2 = 2Fe4N; 4Fe + N2 = 2Fe2N. Медь - исключение. Она с азотом не реагирует, ее можно сваривать в азоте, как в инертном газе. С титаном азот реагирует бурно, реакция похожа на горение: 2Ti + N2 = 2TiN; 6Ti + N2 = 2Ti3N. Растворимость азота в железе уменьшается с понижением температуры. При охлаждении сварочной ванны азот, выделяясь из металла, может образовывать поры. Нитриды железа растворяются в железе, упрочняя его (рис. 13, б), но при этом резко уменьшается пластичность металла. Азот повышает хрупкость металла шва, ухудшает магнитные свойства сталей, увеличивает их электросопротивление и чувствительность к термообработке. Содержание азота в металле или его вредное влияние можно уменьшить введением в зону сварки элементов (например, Al, Zr, Ti), образующих с азотом нерастворимые в жидком металле нитриды, выходящие из металла в шлак или лишь незначительно ухудшающие его свойства. Например, алюминий, применяемый для раскисления железа, образует всплывающий из металла в шлак нитрид Al + N = A1N. Водород активно растворяется при высокой температуре в большинстве металлов, применяемых для изготовления сварных конструкций. Но с понижением температуры растворимость его резко уменьшается, водород начинает выделяться из жидкого металла, образуя поры. Особенно склонен к водородной пористости алюминий. Его окисел AI2O3 образует в металле шва включения, на твердой поверхности которых легко образуются пузырьки водорода. При сварке металл шва затвердевает быстро. Образующийся избыток водорода продолжает выделяться из твердого раствора. Скапливаясь в рыхлотах, микропустотах внутри металла атомарный водород образует молекулы. При этом увеличивается его объем, внутри микропустот увеличивается давление: в металле появляются напряжения. В результате металл становится хрупким, могут возникать трещины даже через несколько дней после сварки. В малых количествах водород может быть полезен как раскислитель. В целом водород в зоне сварки вреден. Водород можно удалить из сварочной ванны, связывая его в нерастворимые соединения, например фтором: [Н] + (F) = (HF). Фтористый водород улетучивается из жидкого металла. Лучший способ уменьшить количество газов в металле шва - это не допустить их в зону сварки. Для этого надо улучшать ее защиту от воздуха, просушивать и прокаливать сварочные материалы, зачищать металл от ржавчины, в рыхлотах которой хорошо держится влага. Полезна дегазация основного и присадочного металла, сваренных деталей путем отжига или медленного охлаждения в вакууме. При дуговой сварке молекулы водорода и азота, нагреваясь, диссоциируют в атмосфере дуги на атомы, часть которых образует положительные ионы. Эти ионы интенсивно притягиваются к катоду и внедряются в него - происходит электрическое поглощение газов металлом. Поэтому дуговую сварку ответственных деталей лучше вести неплавящимся электродом на постоянном токе прямой полярности: в сварочную ванну будет попадать меньше газов.
Читайте также: