Теория сварочных процессов

«Замечания руководителя»

Содержание

1.       Что такое сварка и стадия образование сварочного процесса.

2.       Растворимость газов в металле.

3.       Саморегулирования столба дуги. Баланс энергии и температуры в столбе дуги при РДС, ДФ и газоэлектрической сварке.

1.      Что такое сварка и стадия образование сварочного процесса.

Сварка — процесс получения неразъёмного соединения посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их местном или общем нагреве, или пластическом деформировании, или совместном действии того и другого. Обычно применяется для соединения металлов, их сплавов или термопластов, а также в медицине.

Для производства сварки используются различные источники энергии: электрическая дуга, газовое пламя, лазерное излучение, электронный луч, трение, ультразвук. Развитие технологий позволяет в настоящее время осуществлять сварку не только на промышленных предприятиях, но и на открытом воздухе, под водой и даже в космосе. Производство сварочных работ сопряжено с опасностью возгораний, поражений электрическим током, отравлений вредными газами, облучением ультрафиолетовыми лучами и поражением глаз.

ГОСТ 19521-74[2] устанавливает классификацию сварки металлов по основным физическим, техническим и технологическим признакам.

Физические признаки, в зависимости от формы энергии, используемой для образования сварного соединения, подразделяются на три класса:

Термический класс: виды сварки, осуществляемые плавлением с использованием тепловой энергии.

Термомеханический класс: виды сварки, осуществляемые с использованием тепловой энергии и давления.

Механический класс: виды сварки, осуществляемые с использованием механической энергии и давления.

К техническим признакам относятся: способ защиты металла в зоне сварки, непрерывность сварки, степень механизации сварки.

Технологические признаки установлены ГОСТ 19521-74 для каждого способа сварки отдельно.

2.      Растворимость газов в металле.

Для лучшего понимания процессов влияния кислорода и азота рассмотрим их на примере сварки тонкопокрытыми электродами.

Кислород при температуре дуги почти полностью диссоциирует на атомы, а окисление металла с участием атомарного кислорода идет более интенсивно. С железом кислород образует три вида оксидов:

оксид железа (II) (закись железа), содержащая 22,7 % кислорода,

2Fe + О2 ↔ 2FeO

магнетит (закись-окись железа), содержащий 27,6 % кислорода,

6FeO + О2 ↔ 2Fe3O4.

оксид железа (III) (окись железа), содержащий 30 % кислорода

4Fe3O4 + О2 ↔ 6Fe2O3.

При окислении сначала образуются низшие оксиды, которые при соответствующих условиях переходят в высшие. Из трех оксидов железа только оксид железа (II) растворим в железе. Растворимость FeO в железе уменьшается с понижением температуры и при температуре плавления железа 1520 °С составляет 0,83 % (или 0,18 % кислорода), а при температуре 2300 °С растворимость FeO составит 8,5 % (или 1,8 % кислорода).

Фактически при сварке голыми электродами содержание кислорода в наплавленном металле достигает 0,2…0,7 %, что заметно меньше верхнего предела растворимости кислорода. Это объясняется созданием некоторой защиты сварочной ванны парами металла и СО, выделяющимися в процессе плавления металла; наличием в расплавленном металле углерода и марганца, которые ограничивают растворимость кислорода в жидком металле и др.

Наряду с окислением железа при сварке тонкопокрытыми электродами имеет место окисление других составляющих металла стержня и сварочной ванны: С, Mn, Si. Окисление может происходить за счет атомарного кислорода при переходе капли через дугу по реакциям:

С+О→СО;

Мn + О→МnО;

Si + 2O → SiO2,

и за счет взаимодействия с оксидом железа (II) в расплавленной ванне:

FeO + С ↔ СО + Fe;

FeO + Mn ↔ MnO + Fe

2FeO + Si ↔ SiO2 + 2Fe.

Процессы окисления составляющих приводят к тому, что количество полезных примесей в наплавленном металле уменьшается, а содержание кислорода возрастает (табл. 18). Присутствие кислорода в металле резко ухудшает его механические и технологические свойства.

Влияние кислорода на механические свойства металла наплавки показано на рис. 51. С повышением содержания кислорода снижается предел прочности, предел текучести, ударная вязкость, ухудшается ковкость, коррозионная стойкость, жаропрочность и  другие  свойства металла шва.

Таблица 18.   Химический состав исходных материалов и   металла шва, выполненного электродами со стабилизирующим покрытием

Раскисление за счет углерода реакции (53) приводит к выделению оксида углерода (II), который нерастворим в стали и стремится всплыть на поверхность сварочной ванны. Если шлак, покрывающий сварочную ванну, будет плохо пропускать газы, то это приведет к накапливанию газов по линии раздела металл - шлак, давление газов на сварочную ванну возрастает, скорость всплывания газа из металла замедлится и это при определенной скорости кристаллизации металла шва может привести  к образованию пор.

Рис. 51. Влияние содержания кислорода на механические свойства наплавки

Образование пор вследствие окисления- углерода воз можно еще и тогда, когда эта реакция продолжается в кристаллизующейся части сварочной ванны.

Азот в газовую фазу зоны сварки попадает из окружающего воздуха. В зависимости от температурь азот может находиться в газовой фазе  в молекулярном, атомарном  и ионизированном состоянии, что видно из рис. 15 и 49.

Азот растворяется в тех металлах, с которыми он вступает в химическое взаимодействие с образованием нитридов. К этим металлам относятся железо, марганец, титан, молибден и некоторые другие. Рассмотрим подробнее взаимодействие азота с железом. При высоких температурах азот является весьма активным по отношению к железу и образует с железом химические соединения - нитриды Fe2N (11,1 % N) и FeN (5,9% N), которые устойчивы до определенных температур.

Рис. 52. Растворимость азота и водорода в железе в зависимости от температуры

Диссоциация нитридов при высоких температурах происходит тем полнее, чем выше концентрация азота в металле. Наряду с присутствием азота в железе в виде нитридов азот еще способен растворяться в железе (рис. 52).

Азот существенно изменяет свойства металла шва. Наблюдаемое скачкообразное изменение растворимости газообразного азота в металле при его расплавлении (кристаллизации) может явиться причиной появления и развития пор в металле шва. Увеличение содержания азота в стали приводит к усилению склонности стали к старению и изменению механических свойств (рис. 53).

Для уменьшения содержания азота в металле шва крайне желательно исключить азот из газовой фазы дуги, что достигается сваркой закрытой дугой и сваркой в углекислом газе. В последнем случае металл заметно окисляется и раскисляется, но не поглощает азот. Кроме того, уменьшение содержания азота в металле шва может быть достигнуто введением в металл элементов, имеющих большое сродство к азоту (марганец, титан), за счет которых образуются нитриды, переходящие затем в шлак. Водород, подобно кислороду и азоту, поглощается в процессе сварки металлом шва. Источником водорода в газовой фазе при сварке могут служить атмосферная влага, влага покрытия и флюса, влага ржавчины на поверхности сварочной проволоки и свариваемых кромок. Под действием теплоты дуги влага превращается в пары воды, которые диссоциируют по уравнениям:

2Н2О ↔ 2Н2 + О2 - Q;

2H2O↔2OH + H2-Q

повышая концентрацию водорода в газовой фазе. Кроме того, источником водорода могут явиться органические составляющие покрытии (крахмал, декстрин, целлюлоза), которые при плавлении электрода разлагаются и выделяют наряду с другими газами (СО, СО2, Н2О) водород. Некоторое количество водорода содержится в присадочной проволоке и основном металле, поэтому кривая растворимости водорода (см. рис. 52) начинается на ординате выше нулевого значения, что характеризует наличие в основном и присадочном металле растворенного водорода.

Рис. 53. Влияние азота на механические свойства наплавки

В зависимости от температуры газовой фазы, как видно из рис. 15, водород может находиться в ней в молекулярном, атомарном и ионизированном состояниях. Характерной особенностью атомов и ионов водорода является их способность легко диффундировать в кристаллической решетке железа даже при комнатных температурах, так как по размерам они значительно меньше межатомного расстояния в кристаллической решетке железа.

По кривой растворимости водорода в твердом и жидком железе (см. рис. 52) видно, что по мере увеличений температуры металла растворимость водороду увеличивается, претерпевая скачкообразные изменения в моменты аллотропических превращений железа. Предельная растворимость водорода в твердом железе при 1530 °С составляет 8 см3/100 г или 0,0007 %. Переход металла из твер­дого в жидкое состояние значительно увеличивает растворимость, достигающую 28 см3/100 г или 0,0025 %, По мере дальнейшего роста температуры растворимость   растет, достигая максимума (43 см3/100 г) при температуре 2400 °С, а в области температур, близких к температуре кипения металла, растворимость падает, так как выделяющиеся пары металла увлекают за собой водород.

Учитывая, что температура капель металла в момент их образования на конце электрода и переноса в дуге равна 2200…2500 °С, а средняя температура ванны примерно 1700 °С, можно сделать заключение, что максимальное насыщение металла водородом происходит в дуге при переходе капель металла. И растворимость водорода в капле будет соответствовать верхнему пределу растворимости 43 см3/100 г или 0,0039 %.

Содержание водорода в металле, наплавленном электродами с разным видом покрытия, следующее.

1.    Металл, наплавленный электродами с целлюлозным покрытием,  содержит наибольший объем водорода, достигающий предела насыщения водородом жидкого металла, т. е. 26,6 см3/100.

2.    Металл, наплавленный электродами с кислым или рутиловым покрытием, содержит 13…15 см3/100 г водорода.

3.    Наименьшее содержание водорода в металле, наплавленном электродами с основным  покрытием,  т. е. 8,4 см3/100 г.

Водород существенно влияет на свойства наплавленного металла. Различная растворимость водорода в твердом и жидком металле приводит к выделению водорода при охлаждении перегретого металла, что приводит к разбрызгиванию. При охлаждении расплавленного металла сварочной ванны растворимость уменьшается и водород будет выделяться из жидкого металла. В момент достижения температуры плавления металла и начала его кристаллизации растворимость падает скачкообразно и уменьшается в несколько раз.

В кристаллизующемся металле сварочной ванны существует совместно жидкий и твердый металл, а скорость диффузии водорода при температуре кристаллизации велика, и водород быстро перераспределится между кри­сталлами и жидким металлом. В результате чего жидкий металл окажется пересыщенным водородом, что приведет к его выделению по реакции.

2Н = Н2 + Q.

Но так как молекулярный водород нерастворим в металле, то его выделение из кристаллизующегося металла может явиться причиной возникновения и развития пор в металле шва. Водород может явиться виновником появления ряда дефектов (трещин, «рыбьих глаз» и т. д.) в сварном соединении.

Образование микротрещин в металле шва может иметь место вследствие того, что процесс выделения водорода не прекращается и по окон­чании кристаллизации металла и даже по достижении комнатной температуры. В полностью остывшем металле, пересыщенном водородом, происходит его выделение не только во внешнюю среду, но и в микроскопические полости (поры), всегда имеющиеся в твердом металле. Молекулярный водород, накапливаясь в микрополостях, создает в них большое давление, вызывающее местное разрушение металла.

Рис. 54.   Внешний   вид   «рыбь­его глаза»  в изломе разрывного образца

Образование «рыбьих глаз» встречается на поверхности излома металла шва образцов, подвергшихся деформации с малой скоростью, например при испытаниях на разрыв и загиб. «Рыбьи глаза» выявляются в виде светлого диска небольшого диаметра с очень малой полостью в центральной части (рис. 54). Обычно они возникают вокруг включений. Светлый цвет излома в месте этих дефектов свидетельствует о наличии хрупкого разрушения, связанного с наличием очень больших давлений молекулярного водорода в полости.

Характерно, что «рыбьи глаза» никогда не наблюдаются в изломах сварных образцов, подвергшихся быстрой пластической деформации, например в образцах, испытанных на ударную вязкость. Наличие такого дефекта в изломе образцов обычно вызывает снижение пластических характеристик металла шва (относительное удлинение и относительное сужение). Чтобы ликвидировать склонность металла шва к образованию рыбьих глаз, требуется удалить водород из металла шва, что может быть достигнуто длительной выдержкой металла шва при комнатной температуре или более короткой выдержкой при температуре 250…300 °С.