Взаимодействие металла с газами при сварке плавлением

Взаимодействие расплавленного металла с газами

Основные реакции в зоне сварки

При дуговой сварке газовая фаза зоны дуги, контактирующая с расплавленным металлом, состоит из смеси N₂, 0₂, ОН, С0₂, СО, паров Н₂0, а также продуктов их диссоциации (распада) и паров металла и шлака.

Азот попадает в зону сварки главным образом из воздуха.

Источником кислорода и водорода являются воздух, сварочные электроды, флюсы, защитные газы ит.п., а также оксиды, влага и другие загрязнения на поверхности основного и присадочного металлов.

В зоне высоких температур происходит распад молекул газа на атомы. Молекулярный кислород, азот и водород переходят в атомарное состояние 0₂ = 20, N₂ = 2N, Н₂ = 2Н. Активность газов в атомарном состоянии резко повышается.

При контакте кислорода с жидким металлом происходит его растворение в металле, а при достижении предела растворимости – химическое взаимодействие с образованием оксидов. Одновременно происходит окисление примесей и легирующих элементов, содержащихся в металле. В первую очередь окисляются элементы, обладающие большим сродством к кислороду, например марганец: Мп + О = МпО.

Водород также растворяется в большинстве металлов. Он является вредной примесью, так как служит причиной возникновения пор и трещин в шве и зоне термического влияния.

Углекислый газ, присутствующий в зоне дуги, активно окисляет металл. Реакция протекает в две стадии:

В суммарном виде реакция имеет вид:

где [FeO] – оксид железа, растворяющийся в железе.

Образующийся оксид углерода СО в металле шва не растворяется, он выделяется в процессе кристаллизации сварочной ванны и может образовывать 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:

При сварке расплавленный металл поглощает из воздуха кислород и азот. В результате насыщения металла этими газами его механические свойства ухудшаются.

Кислород в металле снижает временное сопротивление, предел текучести и ударную вязкость.

Азот растворяется в большинстве конструкционных материалов и со многими элементами образует соединения, называемые нитридами. С железом он образует нитриды Fe?N и Fe₄N, которые снижают пластичность металла и приводят к старению сталей.

Кислород и азот – вредные примеси и в металле сварного шва. При разработке сварочных материалов и технологии сварки вопросам уменьшения содержания этих газов в металле уделяют существенное внимание. Основные способы борьбы с вредным влиянием газов – качественная защита жидкого металла и применение элементов- раскислителей в сварочных материалах.

Для предохранения металла сварочной ванны от воздействия воздуха создают газовую защиту, которая оттесняет воздух от расплавленного металла. В результате снижается возможность растворения кислорода и азота воздуха в жидком металле. Защитные газы образуются при сгорании компонентов покрытия электродов.

С увеличением длины сварочной дуги длительность пребывания расплавленной капли металла в дуговом промежутке увеличивается. Насыщение капли металла кислородом и азотом будет повышаться, так как оно происходит на всем пути капли до ее попадания в сварочную ванну. Поэтому короткая сварочная дуга более целесообразна, чем длинная.

Взаимодействие расплавленного металла сварочной ванны со шлаками и газами

Основными особенностями металлургических процессов, протекающих при сварке, являются:

высокая температура процесса;

небольшой объем ванны расплавленного металла;

большие скорости нагрева и охлаждения;

отвод теплоты в окружающий ванну основной металл;

интенсивное взаимодействие расплавляемого металла с газами и шлаками в зоне интенсивного нагрева;

быстрая кристаллизация сварочной ванны.

Все это усложняет получение сварного шва с заданными физико-механическими свойствами, которые предопределяются химическим составом металла шва и его структурой.

Рассмотрим взаимодействие расплавленного металла сварного шва с газовой средой, которая состоит главным образом из кислорода, азота и водорода. Кислород, поступающий в зону сварки из воздуха и покрытия электродов, является наиболее вредной примесью, и его повышенное содержание в сварном шве приводит к понижению прочности, пластичности, вязкости и антикоррозионных свойств шва.

Азот в зону сварки попадает из воздуха и в зоне сварки находится как в молекулярном, так и в атомарном состоянии. Атомарный азот более активно растворяется в расплавленном металле сварочной ванны, чем молекулярный, образуя при этом нитриды железа (Fe2N, Fe4N), марганца (MnN) и кремния (SiN), которые, в свою очередь, снижают пластичность и повышают твердость наплавленного металла.

Водород в зоне сварки образуется во время диссоциации водяных паров при высокой температуре дуги. Водяные пары поступают в зону сварки из атмосферной влаги, а также из влаги, содержащейся в покрытии электродов, флюсах, ржавчине на кромках заготовок и т. п. Для уменьшения содержания в сварном шве водорода пользуются рядом практических приемов:

электроды и флюсы перед сваркой тщательно прокаливают;

кромки свариваемых заготовок и сварочную проволоку очищают от влаги, грязи и ржавчины;

швы выполняют с минимальным числом проходов, так как при наложении последующего шва предыдущий шов в момент вторичного расплавления насыщается водородом;

при выполнении сварочных работ на открытой площадке обеспечивают защиту зоны сварки от атмосферных осадков;

сварку ответственных конструкций выполняют только при положительных температурах.

Виды электродных покрытий.

37.120.192.53 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)
очень нужно

Взаимодействие сварочной ванны с газами при газовой сварке

В процессе газовой сварки газы в сварочную ванну попадают из пламени и окружающей атмосферы как непосредственно, так и в результате протекающих там химических реакций.

Процесс растворения газов в жидком металле может быть разбит на три стадии:

• поглощение атомов газов поверхностью металла;
• взаимодействие этих газов с металлом поверхностных слоев;
• диффузия образовавшихся продуктов в глубь жидкой ванны.

Источниками кислорода и водорода являются воздух, флюсы, защитные газы, а также оксиды, поверхностная влага и другие загрязнения основного и присадочного металла. Азот попадает в зону сварки главным образом из воздуха. Характер взаимодействия газов с различными металлами различен.

Свойства металла шва в большей степени определяются процессами окисления и раскисления, которые происходят в сварочной ванне при взаимодействии газовой и шлаковой фаз с жидким металлом. В сварочной ванне в зоне высоких температур происходит распад молекул газа на атомы (диссоциация).

Активность газов в атомарном состоянии резко повышается. Находящийся в газовой фазе молекулярный и атомарный кислород соединяется с металлом сварочной ванны. Одновременно происходит окисление примесей и легирующих элементов, содержащихся в металле. В первую очередь окисляются элементы, обладающие большим сродством к кислороду. Железо с кислородом образует три соединения: оксид FeO, содержащий 22,7% О₂, оксид Fe₃О₄, содержащий 27,64% О₂, и оксид Fe₂О₃, содержащий 30,06% O₂. Из всех трех оксидов растворимы в железе FeO и Fe₃О₄. В твердом железе растворимость кислорода невелика. Если жидкий металл имеет элементы раскислители, которые имеют большее сродство к кислороду, чем металл сварочной ванны, то в этом случае концентрация кислорода в сварочной ванне может быть значительно уменьшена за счет элементов раскислителей.

Водород также растворяется в большинстве металлов. Он может находиться в составе газовой фазы в молекулярном или атомарном состоянии, это зависит от температуры. При более высоких температурах молекулярный водород диссоциирует на атомарный и ионизированный. Водород – вредная примесь, так как является причиной пор, микро- и макротрещин в шве и зоне термического влияния. Применяются два способа борьбы с водородом: физический – это защита сварочной ванны от компонентов, содержащих водород (сушка, прокалка материалов, удаление ржавчины и др.), химический – перевод водорода из растворимого состояния в нерастворимое.

Азот, как и водород, в зависимости от температуры может находиться в молекулярном, атомарном и ионизированном состояниях. Основным источником азота в сварочной ванне является окружающий воздух. Азот растворяется в элементах, с которыми образует соединения, называемые нитридами. Азот не растворяется в меди, никеле, золоте, серебре и не образует с ними химических соединений. Азот способствует образованию пор в металле шва.

Углерод, содержащийся в сварочной ванне, является хорошим раскислителем. В сварочной ванне он присутствует в виде углекислого газа. Образующийся оксид углерода СО в металле шва не растворяется, в процессе кристаллизации сварочной ванны он выделяется и образует поры.

Удаление избыточного количества вредных примесей и газов из металла шва называют рафинированием металла.

В сталях вредными газами и примесями являются азот N₂, водород Н₂, кислород О₂, сера S, фосфор Р и др. Рафинирование выполняют с помощью окислительно-восстановительных процессов. Легирование металла шва можно получить расплавлением присадочной проволоки либо введением в покрытие или флюс порошкообразных металлических добавок. При расплавлении сварочного флюса и электродного покрытия сердечника порошковой проволоки образуется шлак. В расплавленном состоянии металл и шлак представляют собой несмешивающиеся жидкости. Шлаки не растворяются в металлах (кроме некоторых элементов, их составляющих). Сварочные шлаки, которыми покрыт расплавленный металл, защищают его от вредного воздействия воздуха, предохраняют расплавленные капли электродного металла от воздуха при их прохождении через дуговой промежуток. Кроме того, в результате химического взаимодействия между металлом и шлаком шлак раскисляет металл сварочной ванны, растворяет вредные примеси, легирует металл шва, накапливая теплоту, замедляет охлаждение металла шва, что способствует улучшению его качества. В зависимости от элементов, составляющих шлак, его химическое воздействие на жидкий металл может быть окисляющим или раскисляющим.

Для получения необходимых свойств металла шва важное значение имеют физические и технологические свойства шлака. Сварочный шлак должен обладать меньшей температурой плавления, чем основной металл (примерно на 200- 350°С). Это необходимо для того, чтобы шлак в расплавленном состоянии полностью покрыл всю поверхность сварочной ванны (эффективное защитное действие шлака, улучшается формирование шва). Шлак должен иметь плотность меньше, чем плотность основного металла; хорошую жидкотекучесть для быстрого протекания в нем химических процессов; способность защищать расплавленный металл от воздуха и вместе с тем легко пропускать газы, выделяющиеся из ванны металла; хорошую растворимость различных соединений; минимальное количество вредных примесей; способность легко отделяться от металла сварочного шва в твердом состоянии.

Шлаковые включения в металле шва отрицательно влияют на его свойства. Они являются результатом присутствия в электродных покрытиях и флюсах кварца SiO₂ и корунда Аl₂O₃ легкоплавкие включения. В металл шва из покрытий и флюсов может переходить сера, образующая соединение с железом (сульфид железа FeS). Такое соединение повышает склонность металла шва к появлению трещин при высоких температурах. К неметаллическим включениям относятся также химические соединения азота с металлами. При дуговой сварке сталей наибольшее влияние на свойства металла шва оказывают химические соединения азота с железом. Они обладают высокой твердостью и резко снижают пластические свойства металла.

Шлаковые включения делают металл неоднородным, ухудшают его свойства. По химическому составу шлаковые включения отличаются от наплавленного металла, что способствует появлению коррозии. Для снижения содержания шлаковых включений в металле сварочного шва зачищают поверхности в местах сварки; удаляют ржавчину, окалину и загрязнения со свариваемых поверхностей; зачищают поверхности сварных швов при многослойной сварке; увеличивают толщину слоя флюса для замедления скорости охлаждения сварного шва при сварке под флюсом; вводят в состав электродных покрытий и флюсов элементы, снижающие температуру плавления оксидов и образующие соединения, легко всплывающие в металле и удаляемые вместе со шлаковой коркой.

Источники:

http://studref.com/505567/tehnika/vzaimodeystvie_rasplavlennogo_metalla_gazami
http://studopedia.ru/9_90547_vzaimodeystvie-rasplavlennogo-metalla-svarochnoy-vanni-so-shlakami-i-gazami.html
http://weldering.com/vzaimodeystvie-svarochnoy-vanny-gazami-gazovoy-svarke