Какие металлургические процессы протекают в сварочной ванне при сварке покрытыми электродами

Обновлено: 04.07.2024

Какие металлургические процессы протекают в сварочной ванне при сварке покрытыми электродами

Загрузка. Пожалуйста, подождите.

Тестовые задания - специальный блок

Тестовые задания по профессии
"Электросварщик ручной сварки"
для сертификации профессиональной квалификации
выпускников учреждений НПО

Специальный блок
профессия "Электросварщик ручной сварки"

II уровень

Уважаемый посетитель, Вы прочитали статью "Тестовые задания - специальный блок", которая опубликована в категории "Методические материалы". Если Вам понравилась или пригодилась эта статья, поделитесь ею, пожалуйста, со своими друзьями и знакомыми.

Физико-металлургические процессы при сварке трубопроводов

При сварке плавлением наплавленный металл является продуктом взаимодействия металла стержня электрода и металла шва с газами, покрытиями, флюсами и образующимися при плавлении покрытий и флюсов шлаками.

Шлаки состоят из различных окислов и солей, которые имеют пониженную, по сравнению с жидким металлом, плотность и поэтому располагаются в основном на поверхности металлической ванны. В процессе сварки толстопокрытыми электродами, порошковой проволокой и с применением керамических флюсов шлаки образуются в результате плавления

покрытий, флюсов. Сварочные шлаки выполняют следующие основные функции:

защиту жидкого металла от непосредственного контакта с воздухом;

проведение в той или иной степени процессов раскисления, легирования и рафинирования металла;

улучшение теплового режима сварки за счет снижения скорости охлаждения металла;

поддержание устойчивости процесса сварки; обеспечение правильного формирования металла шва. Химические свойства шлака в большей мере определяются степенью кислотности или обратной ей величиной - степенью основности шлака. За степень кислотности п принимают отношение сумм молекулярных процентов кислых М_к и основных М₀ окислов данного шлака: n = ∑M_K/∑M₀.

Сварочные шлаки имеют кислые окислы - SiC>2, ТiO₂, Р₂О₅, В₂0₃ и основные - FeO, МnО, NiO, CaO, BaO, MgO, Na₂O₃, Cu₂0, К₂О и др. Кроме указанных окислов в шлаках встречаются и амфотерные окислы, ведущие себя с сильными кислотами как основания, а с сильными основаниями - как кислоты. К таким окислам относятся А1₂0₃, Fe₃0₄, Сr₂0₃, V₂O₅ и др. Основные шлаки богатые СаО, МnО, хорошо очищают металл от фосфора, серы и активно легируют его марганцем, но слабо легируют металл кремнием и плохо удаляют из него кислород (в виде закиси железа). Кислые шлаки (n<2) активно легируют шов кремнием и хорошо связывают закись железа, но плохо очищают металл шва от серы и фосфора.

Сварочные шлаки характеризуются следующими физическими свойствами: тепловыми константами - температурой плавления или размягчения, теплоемкостью, скрытой теплотой плавления и теплосодержанием; вязкостью в жидком состоянии; газопроницаемостью; плотностью в жидком состоянии; свойствами, определяющими отделяемость шлака от металла шва в твердом состоянии.

Газовая фаза характеризуется наличием паров металла, компонентов шлака, защитных газов и продуктов диссоциации сложных соединений, которые пребывают в столбе дуги (табл.2).

В зоне горения дуги органические соединения в присутствии кислорода разлагаются по схеме

Пары воды при сварочном процессе диссоциируют по уравнению

Сварочные материалы всегда содержат адсорбированную влагу, которая по норме должна составлять 0,1-0,3 %, но при хранении (3-4 недели) содержание влаги может превысить эту норму. В сварочное пространство влага может попадать также в виде ржавчины [Ре(ОН)_з], покрывающей сварочную проволоку или поверхность свариваемого изделия. Азот в сварочное пространство попадает из воздуха. Растворяясь в металле, он почти полностью остается в шве. Поэтому качество газовой и шлаковой защиты от воздуха определяют по содержанию азота в шве.

Кислород в газовой фазе (исключая сварку без защиты от воздуха) попадает в зону из-за диссоциации окисла С0₂ по уравнению

Свободного кислорода в газовой фазе тем больше, чем больше в ней углекислого газа (см. табл. 2), поэтому защита металла углекислотой, по существу, осуществляется только от взаимодействия с азотом воздуха.

При использовании толстообмазанных электродов свободный кислород попадает в зону сварки из покрытия, которое имеет мрамор (вида «Б»), Мрамор при нагреве выше 900 °С разлагается по уравнению

Электроды и флюсы, не имеющие углекислых соединений, дают газовую фазу с незначительным количеством кислорода (электроды с покрытиями «Ц» и «А»), Это указывает на то, что имеющиеся в покрытиях, флюсах, шлаках окислы являются второстепенными источниками газообразного кислорода. Практика показывает, что даже при незначительном содержании кислорода (3-10 %) газовая фаза многих металлов (железо, хром и более активные) при температуре капли является окислительной.

Автор: Администрация

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

Физико-металлургические процессы при сварке трубопроводов

Электроды и сварочная проволока при сварке плавлением нагреваются в основном за счет использования тепла в результате сопротивления электрода протекающему току и тепловой электрической дуги на участке 5-10 мм от нагреваемого торца. Нагрев электрода током в интервале температур от 0 до 800 °С определяется из рассмотрения следующих зависимостей:

Т - температура электрода при нагреве; Т_пр - предельная температура, наступающая при бесконечно длительном прохождении тока по электроду; Т₀ - начальная температура электрода; t - время прохождения тока по электроду; j - плотность тока; d₁ - диаметр электродного стержня.

При автоматической сварке, когда плотность тока в электродной проволоке достигает 40-50 А/мм 2 и нагрев непродолжителен, можно пренебречь теплоотдачей через боковую поверхность, полагая предельную температуру Т_пр→∞.

Уравнение нагрева вылета проволоки (участок проволоки от токопроводящего контакта до дуги) будет иметь вид

Распределение температуры Т(х) вблизи торца электрода и сварочной проволоки, нагреваемых дугой, можно описать уравнением нагрева стержня подвижным плоским источником

где Т_т - температура нагрева электрода током; Т_к - средняя температура капель в дуге; х - расстояние от торца электрода, где температура принимается равной Т_K, до рассматриваемой точки; ω - скорость плавления электрода.

Нагрев и проплавление свариваемого металла

Горение электрической дуги приводит к образованию жидкой сварочной ванны. Размеры сварочной ванны зависят от ряда технологических параметров режима и физико-химических свойств свариваемого металла. Длину ванны расплавленного металла можно определить из уравнения, описывающего температурное поле при наплавке валика на массивное тело мощной быстродвижущейся дугой:

Наибольший интерес представляет максимальная длина ванны на поверхности изделия (рис. 25), когда r=0 и уравнение

Найдем время пребывания каждого элемента в жидком состоянии, которое соответствует t_B - времени прохождения дугой длины L, при этом Т=Т_пл, тогда

Время пребывания каждого элемента, лежащего на оси шва, в жидком состоянии пропорционально погонной энергии.

Определим длину ванны L, зная t_в и скорость сварки v:

Следовательно, длина сварочной ванны при наплавке валика на массивное тело пропорциональна мощности дуги. Подобная зависимость сохраняется и для наплавки валиков на стальные листы. Параметры сварочной ванны - ее длина L, ширина В и глубина Н.

Автор: Администрация

Металлургические процессы при сварке покрытыми электродами

Металлургические процессы при сварке по своему характеру и скорости протекания значительно отличаются от подобных процессов в большой металлургии, где они проходят в течение длительного времени и достигают равновесного состояния.

Для ручной дуговой сварки характерны следующие отличительные особенности: малая масса расплавленного металла (масса капли до 0,4-0,5 г, сварочной ванны — до 4-5 г); краткое время существования металла в жидком состоянии (капли — до 0,4-0,5 с, сварочной ванны — от 1 до 6-8 с); быстрый отвод теплоты от сварочной ванны в прилегающие к ней участки основного металла; высокая скорость нагрева, сопровождаемая перегревом расплавленного металла на 500-800°С выше температуры плавления; очень высокая температура окружающей расплавленный металл газовой фазы, приближающаяся к температуре дуги (до 5200-5600 °С); постоянное движение капли, металла сварочной ванны, шлаковой и газовой фаз; существенное различие температур металла в капле (2100-2300 °С), головной (1700-2100 °С) и хвостовой (1500-1700 °С) частях ванны; одномоментное протекание различных стадий металлургического процесса — раскисления, легирования, рафинирования и др.; площадь взаимодействия поверхности капель жидкого металла и сварочной ванночки с газами и шлаком, приходящаяся на единицу массы жидкого металла в единицу времени, в несколько тысяч раз превосходит аналогичный показатель при выплавке стали.

Кроме того, если при выплавке металла в металлургии ванна жидкого металла находится в нижнем положении, то расплавление электродного металла часто происходит в пространственных положениях, отличных от нижнего.

Образование и кристаллизация сварочной ванны. При дуговой сварке основной металл расплавляется и перемешивается с жидким металлом, переходящим с плавящегося электрода отдельными каплями. Число капель, образующихся на торце электрода, зависит от состава металла стержня, его диаметра, состава и количества покрытия, силы сварочного тока, рода тока и может колебаться от 2 до 30 капель в секунду.

Головная часть образующейся сварочной ванны, которая находится под непосредственным воздействием электрической дуги, имеет высокую температуру. В задней (хвостовой) части температура лишь несколько превышает температуру плавления металла. Средняя температура сварочной ванны при сварке углеродистой стали оценивается в 1700-1800°С.

Длина сварочной ванны зависит от ряда факторов. Она растет при повышении силы сварочного тока, увеличении диаметра электрода и скорости сварки, при уменьшении до определенного предела толщины свариваемого металла, зависит от вида электродного покрытия.

Под давлением газов, поступающих от электрода, в головной части сварочной ванны образуется углубление, называемое кратером. Выдуваемый из кратера жидкий металл перемещается в хвостовую, менее горячую часть ванны. По мере удаления источника тепла (сварочной дуги) происходит дальнейшее охлаждение и затвердевание (кристаллизация) металла хвостовой части. Кристаллизация — это процесс перехода металла ванны из жидкого состояния в твердое с образованием кристаллов (зерен). Так как теплоотвод направлен, главным образом, в сторону основного металла, то кристаллизация шва начинает происходить на частично оплавленных зернах этого металла, образуя кристаллы, одновременно принадлежащие свариваемому металлу и металлу шва. Это обеспечивает прочную связь металла шва с металлом свариваемого изделия.

Таким образом, образование капель жидкого металла на торце электрода и их перенос в расплавленную ванну происходит в течение весьма короткого промежутка времени, измеряемого долями секунд. В это время капли взаимодействуют с атмосферой сварочной дуги и жидким шлаком из плавящегося покрытия электрода. Взаимодействие жидкой сварочной ванны с газовой фазой и шлаком более длительно, но и оно не превышает нескольких секунд.

Все это приводит к интенсификации металлургических процессов при сварке и обеспечивает возможность получения высокого качества наплавленного металла за весьма короткий срок. В то же время скоротечность процессов требует точного соблюдения технологии изготовления и применения электродов, так как даже небольшие отклонения могут привести к нарушению течения сварочного процесса и вызвать появления брака.

Сварка голыми или тонкопокрытыми электродами. В годы зарождения ручной дуговой сварки в качестве электродов служили голые стержни из низкоуглеродистой стали. В дальнейшем для повышения стабильности горения сварочной дуги на стержни стали наносить тонкий слой (1-4% от массы стержня) стабилизаторов дуги — чаще всего мел, замешанный на жидком стекле малой плотности. Такое количество, облегчая выполнение сварки, практически не влияет на ход металлургических процессов. Как и при использовании голых стержней в наплавленном металле наблюдается снижение содержания углерода, марганца и кремния. Например, при использовании стержней с 0,09% углерода, 0,42% марганца и 0,04% кремния содержание этих элементов в наплавленном металле соответственно составляет около 0,03; 0,20 и 0,01%. При этом содержание вредных примесей, таких как сера и фосфор, возрастает на 10-15% по сравнению с их исходным содержанием в проволоке. Поскольку сварку практически выполняют без какой-либо защиты образующихся капель и сварочной ванны от воздействия атмосферы воздуха, то наплавленный металл насыщается кислородом и азотом.

В табл. 15 приведены данные о содержании этих газов в металле, наплавленном голыми электродами различного диаметра с исходным содержанием в стержнях кислорода <0,02% и азота <0,01%.

Видно, что концентрация кислорода и азота в металле швов при сварке голыми электродами резко возрастает по сравнению с их исходной концентрацией в проволоке. Большее содержание этих газов в швах, выполненных электродами меньших диаметров, связано с более высокой относительной поверхностью взаимодействия жид-

Таблица 15. Содержание газов в металле шва, %

Диаметр стержня, мм

ких капель с атмосферой воздуха. Однако и при больших диаметрах стержней концентрация газов остается недопустимо высокой.

Влияние кислорода, азота и водорода на свойства наплавленного металла. Вредное влияние кислорода, азота и водорода на рабочие характеристики конструкционной стали и сварных швов общеизвестна, и причины этого изложены ниже.

Растворимость кислорода в жидком железе при температуре его плавления составляет 0,175%. Повышение температуры жидкого железа приводит к росту растворимости. В то же время в твердом железе при комнатной температуре кислород растворяется в малом количестве — порядка 0,001%. Поэтому основная часть кислорода в сварных швах находится в виде оксидных включений железа, марганца, кремния и других элементов.

Эти включения, часто располагаясь по границам зерен, отрицательно сказываются на механических свойствах наплавленного металла. Они снижают его прочность и пластичность, придают ему хрупкость, особенно при отрицательных температурах.

Растворимость азота в железе зависит от его парциального давления (части давления, приходящейся на долю данного газа в смеси газов), а также от температуры и агрегатного состояния железа (твердое, жидкое). При температуре ниже 500 °С азот в железе нерастворим. В твердом железе при температуре его плавления и давлении азота в 101 кПа он растворяется в количестве 0,013%, а в жидком при той же температуре его растворимость скачкообразно увеличивается в три раза и составляет 0,039%. Рост температуры жидкого металла приводит к дальнейшему существенному увеличению растворимости азота.

В процессе кристаллизации металла шва с повышенным содержанием азота его растворимость в твердом металле скачкообразно снижается. Азот начинает выделяться на границе растущих твердых кристаллов с жидким металлом. Это может привести к образованию в швах газовых пузырьков (пор), являющихся браковочным признаком.

Наличие азота в твердом металле приводит к образованию твердого и хрупкого химического соединения азота с железом (нитрида железа). Этот процесс, называемый старением металла, протекает медленно. В результате старения прочность металла шва существенно возрастает, а его пластические свойства резко снижаются; шов становится хрупким.

Водород, как азот и кислород, при высоких температурах растворяется в большинстве металлов. Его растворимость зависит от парциального давления, температуры и агрегатного состояния металла. При температуре до 100-200 °С водород в железе практически нерастворим.

В твердом железе при температуре его плавления и парциальном давлении 101 кПа водород растворяется в количестве 13,6 мл на 100 г железа. При этих же условиях в жидком железе растворимость водорода скачкообразно возрастает более чем в два раза и составляет 27,5-28 мл/100 г. Дальнейшее повышение температуры до 2400-2500 °С сопровождается увеличением растворимости водорода до 42,5 мл/100 г.

В процессе сварки в кристаллизующемся металле шва растворимость водорода резко снижается. Твердый металл пересыщается водородом. В связи с большой подвижностью водорода, находящегося в растворе в виде атомов или ионов, он интенсивно выделяется на границе твердого и жидкого металлов. При определенных условиях это может привести к пористости сварных швов.

Водород, оставшийся в твердом металле, выделяется в атмосферу через поверхность шва. Вместе с этим он поступает в микрополости, имеющиеся внутри швов. Превращаясь в молекулярную форму, водород создает в полостях высокое давление, способное образовать надрывы в металле. Водород снижает пластичность сварного соединения и при сварке стали повышенной прочности может вызвать появление трещин.

Из изложенного видно, что для получения наплавленного металла высокого качества его следует предохранять от насыщения газами. Очевидно, в первую очередь необходимо защитить сварочную ванну от воздействия воздуха и предохранить полезные элементы от выгорания.

Защита сварочной ванны от воздействия атмосферы воздуха. Сначала защиту жидкого металла, включая капли, переходящие с электрода, производили за счет нанесения достаточно толстого покрытия, состоящего из рудных и нерудных шлакообразующих материалов, применяемых при выплавке стали. Затем дополнительно стали использовать различные минералы (ильменит, тальк, каолин и др). Такие покрытия из рудоминеральных компонентов позволили существенно повысить сварочно-технологические свойства электродов: дуга горела достаточно стабильно, швы приобрели правильную форму, без подрезов и других видимых дефектов.

Также удалось несколько снизить содержание азота в металле швов за счет высокой кроющей способности шлака, защищавшего капли жидкого металла в процессе их образования и переноса в сварочную ванну. Однако такая защита была недостаточно эффективной. Содержание азота и особенно кислорода оставалось повышенным, марганец, кремний и углерод выгорали, механические свойства наплавленного металла были недопустимо низкими. Снизить содержание азота удалось за счет комбинированной шлако-га - зовой защиты жидкого металла, используя одновременно шлакообразующие и газообразующие компоненты.

В настоящее время в качестве шлакообразующих применяют кварц, рутил, плавиковый шпат, гранит, полевой шпат[1] и др.

Карбонаты (мрамор, мел, магнезит, доломит) являются одновременно и шлакообразующими и газообразующими. При нагревании карбонатов до высокой температуры (700-900 °С) они разлагаются на оксид металла, являющийся составной частью шлака, и углекислый газ С02, который оттесняет воздух от сварочной ванны и капель жидкого металла, образующихся на торце электрода. Этим осуществляется надежная защита металла шва от азота. Однако в связи с тем, что углекислый газ при высокой температуре дуги диссоциирует на оксид углерода СО и кислород, атмосфера дуги остается окислительной. Поэтому жидкий металл насыщается кислородом, а углерод, марганец и другие элементы, обладающие повышенным сродством к кислороду, выгорают.

В качестве газообразующих веществ применяют некоторые углеводы (органику) — главным образом целлюлозу (C6H10Og)n. Разложение углеводов при высокой температуре происходит с выделением оксида углерода, водорода и водяных паров. Наличие в атмосфере дуги водорода и водяных паров приводит к насыщению металла шва водородом. Поэтому газовая защита за счет органики допускается только в электродах, предназначенных для сварки низкоуглеродистых конструкционных сталей, мало чувствительных к водороду.

Так же, как при применении карбонатов, газовая защита за счет разложения углеводов сочетается со шлаковой защитой, что позволяет обеспечивать высокие сварочно-технологические свойства. Для надежной защиты от атмосферы воздуха достаточно введения в состав покрытия электродной целлюлозы (1,5-2,0% от массы стержня).

Однако, как и при использовании карбонатов, применение органики защищает от влияния атмосферы воздуха, но не предохраняет металл шва от окисления.

Окисление происходит или за счет кислорода, содержащегося в образующихся газах (например, в водяных парах), или за счет окисления жидкого стекла оксидами ряда элементов, входящими в состав покрытия электродов. Экспериментально установлено, что повышение содержания оксидов железа в шлаке сопровождается закономерным увеличением кислорода в жидком металле. Известно также, что сварка окисленного (ржавого) металла также приводит к росту кислорода в швах. Для снижения содержания кислорода в наплавленном металле до приемлемого уровня необходимо раскисление жидкого металла (удаление из него кислорода) специальными раскислителями.

Раскисление наплавленного металла. Кислород находится в жидком металле, главным образом, в атомарной форме, а также в виде оксидов некоторых элементов. Элементы, применяемые в металлургии, обладают определенным сродством к кислороду. По степени уменьшения этого сродства их можно расположить в следующий ряд: кальций (Са) — магний (Mg) — алюминий (А1) — титан (Ті) — ниобий (Nb) — кремний (Si) — ванадий (V) — марганец (Мп) — хром (Сг) — молибден (Мо) — вольфрам (W) — железо (Fe) — кобальт (Со) — никель (Ni) — медь (Си). Чем правее стоит элемент в этом ряду, тем меньшим сродством к кислороду он обладает. Наибольшее сродство к кислороду имеет кальций, наименьшее — медь.

Разница в сродстве к кислороду двух соседних элементов невелика. Если же элементы отстоят в ряду достаточно далеко, то разница будет значительной, и в этом случае элемент, стоящий левее, может служить раскислителем элемента, расположенного правее. Например, для железа раскислителями могут явиться марганец, ванадий, кремний и др. Раскисление железа, формально рассматриваемое как восстановление его из оксида, протекает по реакции

FeO+Mn=Fe+MnO; 2Fe0+Si=2Fe+Si02 и т. п.

Реакции раскисления не протекают до конца. Степень раскисления зависит от концентрации элемента-раскислителя и температуры. По мере повышения температуры раскисляющая способность элемента снижается, и содержание кислорода, сосуществующего с одной и той же концентрацией элемента-раскислителя, возрастает.

При 1800 °С в чистом железе может раствориться 0,485% кислорода (по массе), а при наличии 1% марганца уже только 0,24%, в присутствии 0,1% титана — лишь несколько сотых процента. При

температуре 2000 °С в чистом железе может раствориться 0,87% кислорода. Введение раскислителей снижает его концентрацию, но даже при введении 0,3% кремния содержание кислорода будет составлять около 0,2%.

Углерод при относительно низких температурах (1540 °С) является сравнительно слабым раскислителем, но, начиная с 1850 1900 °С, его раскисляющая способность превышает способность многих элементов.

Практически раскисление наплавляемого металла можно производить:

• за счет введения в состав покрытия электродов порошков ферросплавов (сплавов железа с элементами-раскислителями), таких как ферромарганец, ферросилиций, ферросиликомарганец, ферротитан, ферроалюминий и др. В специальных случаях применяют металлический марганец и алюминий;

• за счет раскислителей, содержащихся в металле стержня, с дополнительным введением раскислителей в состав покрытия.

В процессе плавления электрода элементы, обладающие повышенным сродством к кислороду, частично реагируют с кислородом атмосферы дуги и расплавленным шлаком, частично — переходят в капли жидкого металла, образующиеся на торце электрода, и в небольшом количестве переходят непосредственно в сварочную ванну.

При взаимодействии активных элементов с кислородом атмосферы дуги и кислородом шлака происходит их окисление, в результате чего содержание кислорода как в атмосфере дуги, так и в шлаке снижается, и скорость окисления жидкого металла будет уменьшаться. В связи с малым временем контакта атмосферы дуги и шлака с жидким металлом, последний в меньшей степени насыщается кислородом, чем при отсутствии раскислителей. Таким образом, в процессе плавления электродов в расплавленный металл одновременно переходят как кислород, так и раскислители. Их взаимодействие между собой в жидком металле будет происходить только в том случае, если при имеющейся температуре содержание кислорода в жидком металле окажется больше, чем равновесного для данной концентрации раскислителя. Например, при температуре капли 1950 °С и содержании в ней кремния 0,3% равновесное содержание кислорода составляет 0,15%. Поэтому реакция между кислородом и кремнием 2Fe0+Si=2Fe+Si02 будет протекать в том случае, если содержание кислорода превышает эту цифру.

Совершенно очевидно, что эта реакция будет протекать до тех пор, пока не установится определенное равновесие между содержанием кислорода, кремния и диоксида кремния. Если содержание кислорода в жидком металле будет равно или меньше 0,15%, то при указанных температуре и концентрации кремния (0,3%) кремний и кислород будут сосуществовать, не вступая в реакцию.

Степень раскисления металла другими элементами-раскислите - лями определяется сродством этих элементов к кислороду, температурой и концентрацией раскислителя. Результатом реакции будет снижение содержания кислорода, растворенного в металле (восстановление металла), и окисление элемента-раскислителя до определенной концентрации.

Вместе со снижением температуры жидкого металла раскисляющая способность всех раскислителей возрастает. Поэтому раскисление металла происходит вплоть до его кристаллизации. Образующиеся оксиды элементов-раскислителей имеют температуру плавления более высокую, чем температура плавления железа. Поэтому они выпадают в виде твердых мелкодисперсных включений, которые отрицательно влияют на пластические свойства металла шва, особенно при низких температурах.

С целью уменьшения количества оксидных включений и для их укрупнения в некоторых случаях применяют комплексное раскисление наплавленного металла двумя или тремя раскислителями, чаще всего кремнием и марганцем. Для этого в покрытие электродов вводят ферросилиций и ферромарганец или ферросиликомар - ганец в количествах, обеспечивающих в наплавленном металле содержание марганца, в 3-4 раза превышающее содержание кремния.

При- этих условиях остаточное содержание кислорода снижается, а продукты раскисления МпО и Si02 частично вступают во взаимодействие между собой и образуют соединения типа Mn0-Si02 или (Mn0)2-Si02, которые имеют температуру плавления ниже, чем температура плавления металла. Это способствует укрупнению включений, что повышает механические свойства наплавленного металла.

Раскисление металла углеродом имеет свои особенности, так как в процессе взаимодействия кислорода с углеродом по реакции FeO+C=Fe+CO образуется газообразный оксид углерода.

В зависимости от температуры жидкого металла, содержания в нем кислорода, углерода и других элементов в металле шва могут образоваться газовые включения (поры).

МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ СВАРКЕ

Под воздействием теплоты электрической дуги происходит расплавление кромок свариваемого изделия, электродного (или присадочного) металла, покрытия или флюса. При этом образуется сварочная ванна расплавленного металла, покрытая слоем расплавленного шлака. При сварке происходит взаимодействие расплавленного металла со шлаком, а также с выделяющимися газами и воздухом. Это взаимодействие начинается с момента образования капель металла электрода и продолжается до полного охлаждения наплавленного металла шва.

Металлургические процессы, протекающие при сварке, определяются высокой температурой, небольшим объемом ванны расплавляемого металла, большими скоростями нагрева и охлаждения металла, отводом теплоты в окружающий ванну основной металл, интенсивным взаимодействием расплавляемого металла с газами и шлаками в зоне дуги.

Высокая температура сварочной дуги вызывает также диссоциацию (распад) молекул кислорода и азота в атомарное состояние. Обладая большой химической активностью, эти газы интенсивнее взаимодействуют с расплавленным металлом шва. В зоне дуги происходит распад молекул паров воды с диссоциацией молекул водорода, атомарный водород активно насыщает металл шва. Высокая температура способствует выгоранию примесей и тем самым изменяет химический состав свариваемого металла, Небольшой объем ванны расплавленного металла (при ручной сварке он составляет 0,5—1,5 см3, при автоматической — 24—300 см3) и интенсивный отвод теплоты в металл, окружающий ванну, не дает возможности полностью завершиться всем реакциям взаимодействия между жидким металлом, газами и расплавленным шлаком. Большие скорости нагрева и охлаждения значительно ускоряют процесс кристаллизации, приводят к образованию закалочных структур, трещин и других дефектов. Под действием теплоты происходят структурные изменения в металле околошовной зоны, которые также приводят к ослаблению сварного шва.

На расплавленный металл существенное воздействие оказывают газовая среда и расплавленный шлак.

Кислород поступает в зону сварки из воздуха и электродного покрытия. Взаимодействуя с расплавленным металлом, кислород в первую очередь окисляет железо, так как его концентрация в стали наибольшая. Находясь в зоне дуги как в молекулярном, так и в атомарном состоянии, кислород образует с железом три оксида: FeO, Fe203 и Fe304. В процессе окисления железа участвуют также находящиеся в зоне дуги углекислый газ и пары воды.

- Из соединений железа с кислородом наибольшее влияние на свойства стали оказывает оксид железа FeO, так как только он растворяется в железе. Растворимость оксида железа в стали зависит главным образом от содержания углерода и температуры металла. С увеличением содержа

ния углерода в стали растворимость оксида железа снижается. При высокой температуре стали растворимость оксида железа выше, чем при низкой. Поэтому при охлаждении стали происходит выпадение из раствора оксида железа FeO. При высоких скоростях охлаждения часть оксида железа остается в растворе, образуя шлаковые прослойки между зернами металла.

Окисление примесей, содержащихся в стали, происходит либо непосредственно в дуге, либо при взаимодействии с оксидом железа, растворенным в сварочной ванне металла. Значительное сродство углерода, марганца и кремния с кислородом приводит к сильному уменьшению содержания этих примесей в расплавленном металле шва. Таким образом, кислород находится в стали преимущественно в виде оксидных включений железа, марганца и кремния.

В кипящей низкоуглеродистой стали СтЗ кислорода 0,001—0,002%, в спокойной стали— 0,03—0,08%. В металле шва при сварке незащищенной дугой содержание кислорода достигает 0,3%, при сварке защищенной дугой — до 0,05%.

Азот в зону сварки проникает из окружающего воздуха. В зоне дуги азот находится как в молекулярном, так и в атомарном состоянии. Диссоциированный азот более активно растворяется в расплавленном металле сварочной ванны, чем молекулярный. Растворимость азота зависит от температуры металла шва. При охлаждении металла азот, выделяясь из раствора, взаимодействует с металлом шва и образует нитриды железа (Fe2N, Fe4N), марганца (MnN) и кремния (SiN). При больших скоростях охлаждения азот не успевает полностью выделиться и составляет с металлом перенасыщенный твердый раствор. Со временем такой азот является причиной процесса старения металла.

В низкоуглеродистой стали азота содержится до 0,006%, в металле шва при сварке незащищенной дугой содержание азота достигает 0,2%, а при сварке защищенной дугой — до 0,03%.

Азот является вредной примесью стали, так как, повышая прочность и твердость, он вместе с этим значительно снижает пластичность и вязкость металла. Устраняют влияние азота на качество сварного шва хорошей защитой зоны дуги от атмосферного воздуха. Кроме того, применяют сварочные материалы, содержащие алюминий, титан и другие элементы, которые образуют нитриды, выходящие в шлак или менее снижающие качество шва.

Водород в зоне сварки образуется во время диссоциации водяных паров при высоких температурах дуги. Пары воды попадают в зону дуги из влаги электродного покрытия или флюса, ржавчины и окружающего воздуха. Молекулярный водород распадается на атомарный, который хорошо растворяется в расплавленном металле. Растворимость водорода в железе в значительной степени зависит от температуры металла. При температуре 2400°С насыщение достигает максимального значения (43 см3 водорода на 100 г металла). При высоких скоростях охлаждения металла водород переходит из атомарного состояния в молекулярное, но полностью выделиться из металла не успевает. Это вызывает пористость и мелкие трещины. Снижение влияния водорода на качество сварного шва достигается сушкой и прокалкой материалов сварки, очисткой от ржавчины и защитой зоны дуги.

Для получения сварного шва высокого качества необходимо принять меры по защите расплавленного металла сварочной ванны главным образом от воздействия кислорода, азота и водорода. Защита сварочной ванны осуществляется созданием вокруг дуги газовой оболочки и шлакового слоя над ванной расплавленного металла. Однако эти меры полностью не предохраняют от насыщения металла кислородом, поэтому необходимо производить как раскисление металла, так и удаление образовавшихся оксидов из сварочной ванны.

Раскисление жидкого металла сварочной ванны производят, вводя в него элементы, имеющие большое сродство с кислородом: алюминий, титан, кремний, углерод, марганец. Эти элементы вводят в сварочную ванну либо через электродную проволоку (присадочный металл), либо через электродное покрытие или флюсы.

Алюминий в качестве раскислителя применяется редко, так как он образует тугоплавкие оксиды и придает стали склонность к образованию трещин.

Титан является активнымг'раскислителем и поэтому широко применяется в различных электродных покрытиях. Раскисление протекает по реакции

2FeO 4 Ті = 2Fe + Ті02.

Кроме того, титан образует нитриды, снижая содержание азота в металле.

Кремний — очень хороший раскислитель и применяется в электродных покрытиях и флюсах в виде ферросилиция или кварцевого песка. Раскисление кремнием происходит по реакции

2FeO + Si = 2Fe + SiOr

Одновременно протекает реакция образования силикатов Si02 + FeO= FeOSiO,.

Полученные оксиды и силикат оксида железа выходят в шлак.

Углерод образует с кислородом газообразный оксид углерода, который в стали не растворяется, а выделяется в виде пузырьков. При больших скоростях охлаждения оксид углерода не успевает выделиться из металла шва, образуя в нем газовые поры. Раскисление протекает по реакции

Для предупреждения пористости металла шва рекомендуется вводить в сварочную ванну кремний в таком количестве, чтобы подавить раскисляющее действие углерода.

Марганец является наиболее распространенным активным раскислителем. Он входит во многие электродные покрытия и флюсы. Раскисление происходит по реакции

FeO + Mn = Fe + МпО.

Оксид марганца, взаимодействуя с оксидом кремния, образует не растворяющийся в стали силикат оксида марганца

МпО + Si02 = Mn0Si02.

Марганец также способствует удалению серы из стали

FeS + Mn = Fe + MnS.

Сернистый марганец не растворяется в стали и выходит в шлак.

Для восстановления первичного химического состава металла, а в некоторых случаях и для улучшения механических свойств шва производят легирование наплавляемого металла. Цель легирования — восполнить выгорание основных примесей стали и ввести в металл шва элементы, придающие стали специальные качества. Легирующие элементы — кремний, марганец, хром, молибден, вольфрам, титан и др. — используют через электродное покрытие, в виде ферросплавов и электродного металла.

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.