>>> Перейти на мобильную версию сайта >>>

Учебное пособие

Сварка

Основные реакции в зоне сварки

Под воздействием теплоты электрической дуги происходит расплавление кромок свариваемого изделия, электродного (или присадочного) металла и покрытия или флюса. При этом образуется сварочная ванна расплавленного металла, окруженная относительно холодным металлом (иногда значительной толщины) и 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.

Основные особенности металлургических процессов, протекающих при сварке, определяются следующими условиями: высокой температурой процесса, небольшим объемом ванны расплавленного металла, большими скоростями нагрева и охлаждения, отводом теплоты в окружающий ванну основной металл и, наконец, интенсивным взаимодействием расплавляемого металла с газами и шлаками в зоне дуги.

Высокая температура сварочной дуги значительно ускоряет физико-химические процессы, происходящие при плавлении металла. Она вызывает также в объеме дуги диссоциацию (распад) молекул кислорода, азота и паров воды. В атомарном состоянии газы, обладая большой химической активностью, интенсивно взаимодействуют с расплавленным металлом шва. Высокая температура способствует выгоранию примесей и тем самым изменяет химический состав свариваемого металла.

Небольшой объем ванны расплавленного металла (при ручной сварке— 0,5... 1,5 см³, при автоматической сварке 24 ... 300 см³) и интенсивный отвод теплоты в окружающий ванну металл не дают 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 воздействием теплоты происходят структурные изменения в металле околошовной зоны, которые приводят к ослаблению сварного шва.

Рассмотрим взаимодействие расплавленного металла с газовой средой и расплавленным шлаком. Газовая среда состоит главным образом из кислорода, азота и водорода.

Кислород поступает в зону сварки из воздуха и из электродного покрытия. Взаимодействуя с расплавленным металлом, кислород в первую очередь окисляет железо. Находясь в зоне дуги как в молекулярном, так и в атомарном состоянии, кислород образует с железом три оксида FeO, Fe₂0₃ и Fe₃0₄.

Из соединений железа с кислородом наибольшее влияние на свойства стали оказывает оксид FeO, так как только он растворяется в железе. Растворимость его зависит главным образом от содержания углерода в стали и температуры: с увеличением содержания углерода в стали растворимость снижается; с ростом температуры растворимость повышается. Поэтому при охлаждении стали происходит выпадение из раствора оксидов FeO. При высоких скоростях охлаждения часть оксидов FeO остается в растворе, образуя шлаковые прослойки между зернами металла.

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

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

Азот в зону сварки проникает из окружающего воздуха. В зоне дуги азот находится как в молекулярном, так и в атомарном состояниях. Атомарный азот более активно растворяется в расплавленном металле сварочной ванны, чем молекулярный. Растворимость его зависит от температуры. При охлаждении свариваемого шва азот, выделяясь из раствора, взаимодействует с металлом шва и образует химические соединения: нитриды железа (Fe₂N, Fe₄N), марганца (MnN) и кремния (SiN). При больших скоростях охлаждения азот не успевает полностью выделиться и составляет с металлом пересыщенный твердый раствор. Такой азот со временем является причиной старения металла и снижения его механических свойств.

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 — 0,03%. Азот является вредной примесью стали, так как, повышая прочность и твердость, он вместе с этим значительно снижает пластичность и вязкость металла.

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, пластичность металла снижается.

Таким образом, физико-химические процессы, происходящие в зоне дуги, в значительной степени определяют качество металла шва, а отсюда и качество сварного соединения.

Для получения сварного шва высокого качества необходимо принять меры по защите расплавленного металла сварочной ванны от воздействия кислорода, азота и водорода. Сварочную ванну защищают, создавая газовую оболочку вокруг дуги и шлаковый слой над ванной расплавленного металла. Однако эти меры полностью не предохраняют от насыщения металла кислородом и образования оксидов. Поэтому необходимо проводить раскисление металла и удаление образовавшихся оксидов из сварочной ванны.

Жидкий металл сварочной ванны раскисляют, вводя в него элементы, имеющие большое сродство к кислороду: алюминий, титан, кремний, углерод, марганец. Эти элементы вводят в сварочную ванну либо в виде электродной проволоки (или присадочного металла), либо электродного покрытия, либо флюса.

Алюминий как раскислитель применяется редко, так как он образует тугоплавкие оксиды, придающие стали склонность к образованию трещин.

Титан является активным раскислителем и поэтому широко применяется в различных электродных покрытиях. Кроме того, титан образует нитриды, снижая содержание азота в металле.

Кремний — очень хороший раскислитель и входит в электродные покрытия и флюсы в виде ферросилиция и кварцевого песка.

Углерод образует с кислородом газообразный оксид углерода (СО), 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. Для предупреждения пористости 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. Кроме того, марганец способствует удалению серы из стали. Сернистый марганец также не растворяется в стали и выходит в шлак. Марганец входит в, электродные покрытия и флюсы в виде ферромарганца и марганцевой руды.

Для восстановления первичного химического состава металла, а в некоторых случаях для улучшения механических свойств металла 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. — входят в состав электродных металлов, электродных покрытий, флюсов в чистом виде или в виде химических соединений. В электродное покрытие или во флюс они входят, как правило, в виде ферросплавов (ферросилиций, ферромарганец, феррохром, ферротитан, феррованадий, ферромолибден и др.).