Классификация способов сварки - Металлургические процессы при сварке плавлением
Подробности- Подробности
- Опубликовано 25.05.2012 15:54
- Просмотров: 30974
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.
Комментарии
RSS лента комментариев этой записи