Металлургические процессы при сварке стали

Металлургические процессы при сварке

В процессе сварки плавлением металл сварного соединения плавится под действием мощного концентрированного источника тепла (сварочной дуги или газового пламени).

Металлургические процессы в сварочной ванне протекают в условиях, значительно отличающихся от условий, протекающих при выплавке стали. Это объясняется малым объемом расплавленного металла и быстротой происходящих в нем явлений.

При дуговой сварке стали объем расплавленного металла обычно колеблется в пределах от 4 до 60 см 3 , а время затвердевания этого объема обычно не превышает несколько секунд, поскольку теплоотдача в окружающий сварочную ванну металл чрезвычайно велика.

В результате быстрого затвердевания металла сварочной ванны химические реакции, протекающие в расплавленном металле, не успевают закончиться. Для ускорения и облегчения протекания реакций в сварочной ванне, а также для создания условий вывода на ее поверхность растворенных в металле газов и шлаков применяются сварочные флюсы и разнообразные компоненты в составе покрытия сварочных электродов. При плавлении флюса или покрытия электродов на поверхности сварочной ванны образуется слой шлака, назначение которого, кроме снижения скорости охлаждения поверхности ванны, защищать перегретый металл сварочной ванны от воздействия окружающего воздуха. В сварочном шлаке растворяется большинство вредных примесей.

Кроме шлака в процессе горения дуги и плавления металла и покрытия электродов образуется большее количество различных газов, которые кроме газовой защиты сварочной ванны участвуют в металлургических процессах, так как химические реакции между жидким металлом и газообразными веществами протекают быстрее, чем с твердыми и жидкими компонентами сварочного шлака.

Однако часто меры, принимаемые для защиты металла сварочной ванны от воздействия окружающего воздуха, не обеспечивают полной изоляции расплавленного металла от кислорода, а его излишнее содержание ведет к снижению механических свойств металла шва.

Для снижения количества кислорода в наплавленном металле, а следовательно, для повышения механических свойств сварного соединения металл сварочной ванны раскисляют с помощью углерода, марганца, кремния и других компонентов, которые специально вводят в состав сварочной проволоки и покрытия электродов.

Для компенсации выгорающих при сварке элементов, а также для легирования металла с целью обеспечения равнопрочности и сближения химического состава основного и наплавленного металла последний за счет добавок в проволоку или покрытие легируют хромом, молибденом, титаном, ванадием, вольфрамом и другими элементами.

Сварочная ванна образуется из расплавленного основного и электродного металла. При остывании металла сварочной ванны происходит его первичная и вслед за ней вторичная кристаллизация.

Кристаллизация — это образование кристаллов металла из жидкого расплава. При изменении температуры в затвердевшем металле кристаллы теряют свою первоначальную форму, превращаясь в зерна. Этот процесс называется вторичной кристаллизацией (перекристаллизацией).

В узких швах, имеющих коэффициент формы шва (отношение ширины шва к глубине провара) меньше единицы, последние участки жидкого металла располагаются в центре сечения шва, поэтому в этом месте возможны скопления шлаков, газов и других нежелательных включений.

У швов с коэффициентом формы шва больше единицы последние участки жидкого металла находятся в середине поверхности шва, а все вредные включения сосредоточиваются в вершине шва и свободно удаляются со шлаковой коркой.

Выделяющееся при сварке тепло уходит в свариваемый металл через околошовные участки, называемые зоной термического влияния. От обычной термической обработки нагрев и охлаждение металла сварного соединения в зоне термического влияния отличается мощностью и кратковременностью теплового воздействия, вызывающего различные структурные изменения в околошовной зоне.

Свойства сварного соединения определяются свойствами металла шва и зоны термического влияния. Разрушения сварного соединения чаще всего происходят по этой зоне, где металл неоднороден и зачастую потерял пластичность.

МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ СВАРКЕ

Особенности сварочных металлургических процессов

По своей природе дуговая сварка плавлением – металлургический процесс. Под металлургическими процессами понимают высокотемпературные процессы взаимодействия жидкого металла с газами и сварочными шлаками, а также затвердевающего металла с жидким и кристаллизующимся шлаками. Эти процессы происходят в период плавления электрода, перехода капли жидкого металла через дуговой промежуток и в самой сварочной ванне.

В отличие от металлургических процессов, протекающих в обычных сталеплавильных печах, сварочный процесс имеет некоторые особенности.

• ? Малый объем сварочной ванны и быстрая скорость ее охлаждения приводят к тому, что не все начавшиеся реакции заканчиваются. Кроме того, создаются препятствия полному очищению металла шва от различных оксидов, неметаллических включений и газов, которые из-за быстрого затвердевания металла шва не успевают выйти на поверхность сварочной ванны.
• ? Активное взаимодействие расплавленного металла с окружающей газовой средой и шлаками, нагретыми до высокой температуры, способствует дополнительному насыщению металла шва газами и шлаковыми включениями.
• ? Большая температура сварочной дуги и металла сварочной ванны приводит к диссоциации газов, т.е. распаду, например, молекул кислорода, азота, водорода на атомы: 0₂ = О + О; N₂ = N + N; Н₂ = Н + Н.

Находясь в атомарном состоянии, эти газы становятся весьма активными и, взаимодействуя с металлом шва, резко ухудшают его качество.

В результате металлургических процессов может происходить окисление и раскисление металла шва, легирование его соответствующими элементами, а также растворение и выделение в шве азота, водорода и других газов.

Строение и форма сварочной ванны

Сварочная ванна – это часть металла сварного шва, находящегося в момент сварки в расплавленном состоянии, которая занимает относительно небольшой объем жидкого металла, образуемый под воздействием источника теплоты из расплавляемых основного и присадочного металлов и дающий при затвердевании сварной шов (рис. 6.1).

Сварочная ванна характеризуется длиной, шириной и глубиной проплавления основного металла (рис. 6.1, а). Она ограничивается изотермической поверхностью, имеющей температуру основного металла. В плане сварочная ванна имеет эллипсовидное вытянутое вдоль направления сварки очертание (рис. 6.1,6). В поперечном сечении в зависимости от режима и условий сварки сварочная ванна может иметь разную форму, но наиболее характерной является форма провара, приближающаяся к полуокружности (рис. 6.1, в).

Приближенно среднюю продолжительность существования сварочной ванны t_CB можно определить из зависимости

где L – длина ванны, мм; и_св – скорость сварки, мм/с.

Рис. 6.1. Форма сварочной ванны: L – длина; Ъ – ширина; h – глубина

Процессы, происходящие в сварочной ванне

В сварочной ванне происходят кристаллизация металла и формирование сварного шва. Металл окисляется, раскисляется и легируется. При этом могут образовываться газовые поры и шлаковые включения.

На процессы, происходящие в сварочной ванне, большое влияние оказывает воздух, соприкасающийся с расплавленным металлом и отрицательно влияющий на свойства металла. В связи с этим возникает необходимость защиты расплавленного металла сварочной ванны от воздействия воздуха.

Металлургические реакции при сварке

Химические реакции взаимодействия расплавленного металла с газами и средствами защиты называются сварочными металлургическими реакциями.

Выделяют две основные зоны взаимодействия расплавленного металла с газами и шлаком – торец электрода с образующимися на нем каплями исварочную ванну.

Металлургические реакции при сварке одновременно протекают в газовой, шлаковой и металлической фазах.

Сварочные металлургические реакции происходят при высокой температуре нагрева и относительно малом объеме расплавляемого металла и характеризуются кратковременностью процессов.

Средняя температура капель электродного металла, поступающего в ванну, возрастает с увеличением плотности тока и составляет при сварке сталей 2200-2700 °С, т.е. имеет место значительный перегрев металла (температура плавления железа – 1539 °С, температура кипения – 2860 °С).

Температура сварочной ванны также значительно превышает (на 300-700 °С) точку плавления металла, что способствует большой скорости протекания реакций.

Металлургические процессы при сварке

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МЕТАЛЛА С ГАЗАМИ

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 см 3 , при автоматической сварке – 24-300 см 3 ) 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, Fе₂О₃ и Fe₃O₄. 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 содержания углерода в стали растворимость оксида железа снижается. При высокой температуре стали растворимость оксида железа выше, чем при низкой температуре. 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, растворенного 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 нз 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 см 3 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 сварочнои 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 к кислороду: 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 активным раскислителем и поэтому широко применяется в различных электродных покрытиях. Раскисление протекает по реакции

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

Кроме того, протекает реакция образования силикатов

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

Источники:

http://www.stroitelstvo-new.ru/svarka/metallurgicheskie-processy.shtml
http://studref.com/505566/tehnika/metallurgicheskie_protsessy_svarke
http://dom-knig.com/read_468972-1