Раздел: Документация
0 ... 10 11 12 13 14 15 16 ... 55 10, 15, 20, 25 используют для изготовления горячекатаных труб. Эти стали хорошо поддаются сварке и образуют сварной шов без хрупких структур и пористости. § 10. Основные реакции в зоне сварки Под воздействием теплоты электрической дуги происходит расплавление кромок свариваемого изделия, электродного (или -присадочного) металла и покрытия или флюса. При этом образуется сварочная ваниа расплавленного металла, окруженная относительно холодным металлом (иногда значительной толщины) и покрытая слое-м 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. Основные особенности металлургических процессов, протекающих при сварке, определяются следующи ми ус-ловиями: высокой температурой процесса, небольшим объемом ванны расплавленного металла, большими скоростями нагрева и охлаждения, отводом теплоты в окружающий ванну основной металл и, наконец, интенсивным взаимодействием расплавляемого металла с газами и шлаками в зоне дуги. Высокая температура сварочной дуги значительно ускоряет физико-химические процессы, происходящие при плавлении металла. Она вызывает также в объеме дуги диссоциацию (распад) молекул кислорода, азота и паров воды. В атомарном состоянии газы, обладая большой химической активностью, интенсивно взаимодействуют с расплавленным металлом шва. Высокая температура способствует выгоранию примесей и тем самым изменяет химический состав свариваемого металла. Небольшой объем ванны расплавленного металла (при ручной сварке— 0,5... 1,5 см3, при автомати- ческой сварке 24 ... 300 см3) . и интенсивный отвод теплоты в окружающий ванну металл не дают 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 воздействием теплоты происходят структурные изменения в металле околошовной зоны, которые приводят к ослаблению сварного шва. Рассмотрим взаимодействие расплавленного металла с газовой средой и расплавленным шлаком. Газовая среда состоит главным образом из кислорода, азота и водорода. Кислород поступает в зону сварки из воздуха и из электродного покрытия. Взаимодействуя с расплавленным металлом, кислород в первую очередь окисляет железо. Находясь в зоне дуги как в молекулярном, так и в атомарном состоянии, кислород образует с железом три оксида FeO (II), Fe203 (III) и Fe304. Взаимодействие протекает по следующим реакциям: 2Fe Ь 02**2FoO; Fe-4-0:.±FeO; 4Fe + 302=pfc2Fe203; 3Fe+202*t Fe304; В процессе окисления железа участвуют также находящиеся в зоне дуги диоксид углерода (СОг) и пары воды: Fe -f С02 FeO -f CO; Fe + H2O** FeO + H2. Из соединений железа с кислородом наибольшее влияние на свойства стали оказывает оксид FeO (II), так как только он растворяется в железе. Растворимость его зависит главным образом от содержания углерода в стали и температуры: с увеличением содержания углерода в стали растворимость снижается; с ростом температуры растворимость повышается. Поэтому при охлаждении стали происходит выпадение из раствора оксидов FeO (II). При высо- ких скоростях охлаждения часть оксидов FeO (II) остается в растворе, образуя шлаковые прослойки между зернами металла. Окисление примесей, содержащихся в стали, происходит либо непосредственно в дуге, либо при взаимодействии с оксидом FeO (II), растворенным в сварочной ванне. Значительное сродство углерода, марганца и кремния к кислороду приводит к сильному уменьшению содержания этих примесей в расплавленном металле шва. Таким образом, кислород находится в стали главным образом в виде оксидов железа, марганца и кремния. В кипящей низкоуглеродистой стали СтЗ кислорода содержится 0,001 ... 0,002%, а в спокойной стали — 0,03 ... 0,08%. В металле шва при сварке незащищенной дугой содержание кислорода достигает 0,3%, а при сварке защищенной дугой — 0,05%. Азот в зону сварки проникает из окружающего воздуха. В зоне дуги азот находится как в молекулярном, так и в атомарном состояниях. Атомарный азот более активно растворяется в расплавленном металле сварочной ванны, чем молекулярный. Растворимость его зависит от температуры. При охлаждении свариваемого шва азот, выделяясь из раствора, взаимодействует с металлом шва и образует химические соединения: нитриды железа (Fe2N, Fe4N), марганца (MnN) и кремния (SiN). При больших скоростях охлаждения азот не успевает полностью выделиться и составляет с металлом пересыщенный твердый раствор. Такой азот со временем является причиной старения металла и снижения его механических свойств. 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 — 0,03%. Азот является вредной примесью стали, так как, повышая прочность и твердость, он вместе с этим значительно снижает пластичность и вязкость металла. Водород в зоне сварки образу- ется 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 см3 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, пластичность металла снижается. Таким образом, физико-химические процессы, происходящие в зоне дуги, в значительной степени определяют качество металла шва, а отсюда и качество сварного соединения. Для получения сварного шва высокого качества необходимо принять меры по защите расплавленного металла сварочной ванны от воздействия кислорода, азота и водорода. Сварочную ванну защищают, создавая газовую оболочку вокруг дуги и шлаковый слой над ванной расплавленного металла. Однако эти меры полностью не предохраняют от насыщения металла кислородом и образования оксидов. Поэтому необходимо проводить раскисление металла и удаление образовавшихся оксидов из сварочной ванны. Жидкий металл сварочной ванны раскисляют, вводя в него элементы, имеющие большое сродство к кислороду: алюминий, титан, кремний, углерод, марганец. Эти элементы вводят в сварочную ванну либо в виде электродной проволоки (или присадочного металла), либо электродного покрытия, либо флюса. Алюминий как раскислитель применяется редко, так как он образует тугоплавкие оксиды, придающие стали склонность к образованию трещин. Раскисление алюминием проте- кает по реакции 3FeO + 2Al = = 3Fe + Al203. Титан является активным раскис-лителем и поэтому широко применяется в различных электродных покрытиях. Раскисление протекает по реакции 2FeO + Ti = 2Fe + Ti02.Кроме того, титан образует нитриды, снижая содержание азота в металле. Кремний — очень хороший раскис-литель и входит в электродные покрытия и флюсы в виде ферросилиция и кварцевого песка. Раскисление кремнием происходит по реакции 2FeO + -f-Si = 2Fe-f-SiCh. Кроме того, протекает реакция образования силикатов Sid2 + FeO = FeO • SiO*. Полученные оксид SiO2 и силикат оксида железа (II) не растворяются в железе и выходят в шлак. Углерод образует с кислородом газообразный оксид углерода (СО), 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 FeO + С = Fe + СО. Для предупреждения пористости рекомендуется вводить в сварочную ванну кремний в таком количестве, чтобы подавить раскисляющее действие углерода. Марганец является наиболее распространенным активным раскисли-телем. Он входит во многие электродные покрытия и флюсы. Раскисление проходит по реакции FeO + Мп = = Fe + МпО. Оксид марганца взаимодействует с оксидом кремния и образует нерастворяющийся в стали силикат оксида марганца по реакции МпО + Si02 = МпО • Si02. Кроме того, марганец способствует удалению серы из стали по реакции FeS -f-+ Mn =MnS -f- Fe. Сернистый марганец также не растворяется в стали и выходит в шлак. Марганец входит в, электродные покрытия и флюсы в виде ферромарганца и марганцевой руды. Для восстановления первичного химического состава металла, а в некоторых случаях для улучшения механических свойств металла шва произ- водят легирование наплавляемого металла. Цель легирования — восполнить выгорание основных примесей стали и ввести в металл шва элементы, придающие стали специальные качества. Легирующие элементы: кремний, марганец, хром, молибден, вольфрам, титан и др. — входят в состав элек-чтродных металлов, электродных покрытий, флюсов в чистом виде или в виде химических соединений. В электродное покрытие или во флюс они входят, как правило, в виде ферросплавов (ферросилиций, ферромарганец, феррохром, ферротитан, феррованадий, ферромолибден и др.). § 11. Кристаллизация металла сварочной ванны В процессе сварки по мере перемещения дуги вслед ей перемещается сварочная ванна. При этом в задней части ванны расплавленный металл охлаждается и, затвердевая, образует сварной шов. Кристаллизация металла сварочной ванны начинается у границы с не-расплавившимся основным металлом в зоне сплавления. Различают кристаллизацию первичную и вторичную. Первичной кристаллизацией называют процесс перехода металлов и сплавов из расплавленного (жидкого) состояния в твердое. Структура металлов, не имеющих аллотропических превращений, определяется только первичной кристаллизацией. Металлы и сплавы, имеющие аллотропические формы или модификации, после первичной кристаллизации при дальнейшем охлаждении претерпевают вторичную кристаллизацию в твердом состоянии — переход из одной аллотропической формы в другую (фазовые превращения). Первичная кристаллизация металла сварочной ванны протекает периодически, так как периодически ухудшается теплообмен, периодически выделяется скрытая теплота кристаллизации. Это приводит к слоистому строению металла шва, к появлению ликвации, как зональной, так и дендритной. Толщина закристал- 0 ... 10 11 12 13 14 15 16 ... 55
|
