Металлургические реакции при сварке - Страница 23

Способы дуговой сварки - Металлургические реакции при сварке

Подробности

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.

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить

   
© ALLROUNDER