Отличительные черты металлургических процессов в сварке

Металлургические процессы при проведении сварки

Металлургические процессы при сварке протекают в зоне формирования сварочной ванны. Металлургию сварки характеризуют определенные физические и химические реакции, которые определяются взаимодействием плавящегося сплава со сварочными спецфлюсами, формирующимися в результате сварки шлаками и газами. Дополнительно в процессе проведения сварки происходят реакции, связанные со снижением температуры расплавленного сплава и кристаллизацией металла сварочной ванны.

Процесс плавления металла при скреплении деталей, с использованием специального инструмента, называется сваркой.

Физические и химические реакции, связанные с изменениями в металле, происходят на всех этапах осуществления дуговой электросварки. Основными этапами дуговой электросварки являются:

  • плавление электрода, используемого в процессе электросварки;
  • переход капель металла через электродуговой промежуток;
  • попадание сварочного металла в сварочную ванну.

Схема дуговой сварки.

В отличие от реакций общей металлургии, которые протекают в сталеплавильных агрегатах, условия плавления металлической заготовки и протекания всех реакций при электродуговой сварке сильно отличаются целым комплексом особенностей. Эти особенности влияют на развитие плавления и на конечный результат. Основные особенности металлургических процессов при сварке следующие:

  • небольшой объем зоны плавления;
  • высокие температурные показатели и перегрев расплавленных компонентов в ванне;
  • перемещение расплавленного сплава, его перемешивание и обновление;
  • высокая скорость снижения температуры и кристаллизации компонентов, входящих в состав сварочной ванны.

При таких условиях происходит интенсивное взаимодействие между компонентами сплава.

Реакции, возникающие при проведении электродуговой сварки

Среди огромного количества реакций, которые протекают в процессе осуществления электросварочных работ, основными являются следующие:

Схемы движения электрода при ручной дуговой сварке.

  • диссоциация образующихся газов и химсоединений;
  • окисление расплавленного металла;
  • раскисление компонентов сплава;
  • раскисление под действием марганца;
  • раскисление под воздействием кремния;
  • раскисление под влиянием титана;
  • раскисление под воздействием углерода;
  • взаимодействие с газообразным азотом;
  • химвзаимодействие с водородом;
  • взаимодействие с серой и фосфором.

Все эти химпроцессы, происходящие при сварке плавлением, в той или иной мере оказывают воздействие на качество сварного соединения.

Характеристика реакций при дуговой сварке

При диссоциации осуществляется распад сложных компонентов на отдельные атомы или составляющие части. Возникновению диссоциации способствует высокий температурный режим в зоне проведения сваривания и каталитическое действие металлического расплава. При проведении электродугового сваривания диссоциации подвергаются молекулы различных газов: кислорода, водорода и азота, дополнительно происходит распад углекислого газа, водяных паров и некоторых других.

В зависимости от условий проведения электродуговой сварки, получаемые при диссоциировании молекул водяного пара компоненты могут как восстанавливать, так и окислять компоненты сплава, присутствующие в сварочной ванне.

, присутствующий в составе флюса, также подвергается распаду. Получающийся свободный атом фтора связывает атомы водорода, препятствуя его растворению.

Принцип газовой сварки.

Окисление металлических компонентов происходит под влиянием газов, которые в процессе сваривания переходят в атомарное состояние. В первую очередь на процесс окисления огромное влияние оказывает атомарный кислород, получаемый из молекулярного, входящего в состав атмосферы, окисление металла снижает его качество. Дополнительно окислять атомы металла могут пары воды, которые в результате диссоциации образуют атомарный кислород. Получаемая при окислении окись двухвалентного железа, растворяясь в расплаве, резко снижает его физсвойства. При проведении дугового сваривания окислению подвергаются практически все компоненты, входящие в сталь заготовки, подвергаемой обработке.

Применяемая при проведении работы защита не всегда позволяет избежать окисления, поэтому для улучшения качества шва проводят раскисление компонентов сплава. Раскисление представляет собой восстановительный процесс, при котором осуществляется восстановление железа, содержащегося в электросварочной ванне. Образуемый при раскислении кислород переводится в металле в нерастворимые химсоединения. В качестве спецраскислителей применяется марганец, кремний, титан, алюминий и углерод. Раскислители вводятся в зону сваривания через проволоку, покрытие электросварочных электродов и флюсы.

Взаимодействие с азотом в атомарном состоянии возникает в процессе распада молекулярного газа при попадании в электросварочную дугу. Это ведет к синтезу нитридов, ухудшающих качество.

Взаимодействие с серой и фосфором понижает качество электросварного шва в области сваривания.

Физико-химические реакции, происходящие при проведении газосварки

Металлургические процессы при газовой сварке полностью зависят от состава сплава, вводимых в расплав добавок и состава газового пламени.

Способы и режимы газовой сварки: А — ванночками; Б — по отборочным кромкам.

При проведении газовой сварки осуществляется взаимодействие расплавленных компонентов сплава, находящихся в сварочной ванне с пламенем газовой горелки. Реакции, происходящие при взаимодействии, полностью определяются физическими и химическими свойствами металлического расплава и составом пламени горелки. Сваривание осуществляется в восстановительном секторе факела, который состоит из оксида углерода и водорода. Различные компоненты по-разному реагируют с пламенем факела. Легче всего происходит окисление компонентов расплава, которые имеют большое сродство к кислороду. Окисление осуществляется за счет участия оксидов, входящих в состав основного металла и присадочной проволоки, дополнительно на скорость окисления оказывает влияние кислород атмосферного воздуха. При увеличении концентрации кислорода происходит снижение качества сварного шва и ухудшение его мехсвойств. Для снижения воздействия окислителей при проведении газосварочных работ в присадки вводятся специальные химсоединения – раскислители.

Раскислители представляют собой химвещества, имеющие большее сродство к кислороду, нежели компоненты основного расплава, из которого формируется электросварной шов. При проведении сваривания стали раскисляющим действием обладает углерод, оксид двухвалентного углерода и водород, которые образуются в процессе горения сварочного пламени. Это позволяет производить сваривание углеродистых сталей без использования присадочных флюсов.

Образуемый при проведении сваривания оксид двухвалентного углерода вызывает кипение расплава. Во время кипения происходит удаление нежелательных включений из расплава. При осуществлении кипения в момент кристаллизации образуются пузырьки, что снижает качество газосварки. Для уменьшения этого эффекта вводятся марганец и кремний.

Влияние химсостава газосварочного пламени на окислительно-восстановительные реакции

Состав газосварочного пламени оказывает огромное влияние на химические и физические процессы, происходящие в расплаве при проведении газосваривания. В составе нормального ацетиленокислородного пламени в средней его части, имеющей восстановительную среду, содержится 60% оксида двухвалентного углерода и по 20% молекулярного и атомарного водорода. Основным восстановителем железа является водород в атомарном состоянии. Образуемые при газосварке окислы кремния и марганца не проникают в жидкий металл, а всплывают на его поверхности, превращаясь в шлак. В жидком расплаве содержится большое количество разных оксидов, которые взаимодействуют между собой. Результатом таких взаимодействий является формирование химических соединений с низкой температурой плавки, что позволяет значительно легче удалить окислы из состава расплава газосварочной ванны. Окислы удаляются в виде разных шлаков.

При проведении газосваривания латуни, меди или алюминия в зону сваривания вводятся разные добавки. Раскисление проводится углеродом, оксидом двухвалентного углерода и водородом. При проведении сварки пламя обеспечивает восстановление металла и защиту расплава от кислорода и азота атмосферы.

Металлургические процессы при сварке

Сварка металлов плавлением представляет собой более сложный металлургический процесс по сравнению с металлургическим процессом, происходящим при получении металлических отливок.

Характерными особенностями сварки сталей являются следующие:

1. Высокая температура нагрева металла. При дуговой сварке температура сварочной ванны достигает 2300°С вместо 1700°С в мартеновской печи.

2. Малый объем расплавленного металла в сварочной ванне. При ручной сварке покрытыми электродами он редко достигает 2 см 3 .

3. Кратковременность процесса. Время от начала расплавления до застывания сварочной ванны составляет несколько секунд; охлаждение протекает со скоростью 5 — 15°С/с.

Высокая температура в зоне дуги приводит к быстрому плавлению электродного металла, покрытия, флюса, а также металла свариваемых частей. Молекулы кислорода, азота, водорода, находящиеся в воздухе в зоне дуги, частично распадаются на атомы и ионы. В атомарном состоянии эти элементы обладают высокой активностью, вступают в химические соединения с элементами расплавленной стали и растворяются в ней, образуя после остывания хрупкий металл. Высокая температура при сварке приводит также к испарению, выгоранию и разбрызгиванию металла и других веществ, находящихся в зоне сварки.

Малый объем расплавленного металла в сварочной ванне и относительно холодный твердый металл свариваемых частей вызывают интенсивный отвод тепла в свариваемое изделие, в результате чего химические реакции между расплавленным металлом и шлаком протекают за очень короткое время, не успевая полностью завершиться и не создавая равновесия, как это обычно происходит в большом металлургическом процессе. Быстрое затвердевание и кристаллизация металла шва отражаются на структуре и механических свойствах металла шва и металла свариваемых частей. Химический состав, структура и механические свойства металла шва зависят не только от состава присадочного металла и металла свариваемых частей, но также в значительной степени и от характера и интенсивности химических реакций при сварке. Поэтому при определении свойств и прочности металла шва, а также свойств и прочности всего сварного соединения приходится учитывать указанные особенности сварочного процесса.

Процессов, протекающих в условиях дуговой сварки, много. Рассмотрим те, которые имеют общий характер во всех или большинстве случаев выполнения сварки.

Диссоциация газов и соединений. При диссоциации происходитраспад более сложных компонентов на атомы или составные части. Этому процессу способствуют наличие высоких температур в зоне сварки и каталитическое действие расплавленного металла. При дуговой сварке в первую очередь диссоциации подвергаются молекулы газов как простых – кислород, азот, водород, так и сложных – углекислый газ СО2, пары воды Н2О и др. Диссоциация газов происходит по реакциям: О2↔О+О; N2↔N+N; H2↔H+H; CO2↔CO+O. Кислород и водород при температурах дуги практически полностью диссоциируют на атомы, азот диссоциирует в меньшей степени.

Читайте также  Tiemme пресс фитинги профиль

Диссоциация водяного пара в зависимости от температуры проходит по реакциям: H2O↔H2+O; H2O↔OH+H. Следовательно, в зависимости от условий протекания реакций водяной пар может окислять или восстанавливать металл сварочной ванны.

Окисление металла при сварке. Металл сварочной ванны может окисляться за счет кислорода, содержащегося в газовой среде и шлаках зоне сварки. Кроме того, окисление может происходить и за счет оксидов (окалины, ржавчины), находящихся на кромках деталей и поверхности электродной проволоки. При нагреве имеющаяся в ржавчине влага испаряется, молекулы воды диссоциируют, а получающийся кислород окисляет металл. Окалина при плавлении металла превращается в оксид железа также с выделением свободного кислорода. При недостаточной защите сварочной ванны окисление происходит за счет кислорода воздуха.

Кислород с железом образует оксиды: FeO (22,3 % О2), Fe34 (27,6 % О2), Fe2О3 (30,1% О2). При высокой температуре сварочной дуги за счет атомарного кислорода в результате реакции Fe + О.

FeO образуется низший оксид, который при понижении температуры может переходить в другие формы высших оксидов.

Наибольшую опасность для качества шва представляет оксид FeO, способный растворяться в жидком металле. Этот оксид обладает температурой плавления меньшей, чем у основного металла. Поэтому при кристаллизации металла шва он затвердевает в последнюю очередь. В результате он располагается в виде прослоек по границам зерен, что вызывает снижение пластических свойств металла шва. Чем больше кислорода в шве находится в виде FeO, тем сильнее ухудшаются его механические свойства. Высшие оксиды железа не растворяются в жидком металле и, если они не успевают всплывать на поверхность сварочной ванны, остаются в металле шва в виде шлаковых включений.

Раскисление металла при сварке. Применяемые при сварке защитные меры не всегда обеспечивают отсутствие окисления расплавленного металла. Поэтому его требуется раскислить. Раскислением называют процесс восстановления железа из его оксида и перевод кислорода в форму нерастворимых соединений с последующим удалением их шлак. Окисление и раскисление, в сущности, представляют два направления протекания одного и того же химического процесса. В общем случае реакция раскисления имеет вид FeO+Me↔Fe+МеО, где Me – раскислитель.

Раскислителем является элемент, обладающий в условиях сварки большим сродством к кислороду, чем железо. В качестве раскислителей применяют кремний, марганец, титан, алюминий, углерод. Раскислители вводят в сварочную ванну через электродную проволоку, покрытия электродов и флюсы.

Рафинирование (очистка) — это удаление из металла вредных примесей: газов, серы, фосфора и др. Рафинируют металл с помощью окислительно-восстановительных реакций, вакуумным отжигом, замедленным охлаждением сваренных деталей. Хорошие результаты дает введение через электродную обмазку или флюс веществ (например, рутила ТiO2 или плавикового шпата CaF2), растворяющих вредные примеси или образующих с ними нерастворимые в металле легкоплавкие соединения, переходящие из сварочной ванны в шлак или в атмосферу. Наиболее опасными для сталей считаются сера и фосфор, попадающие в сварочную ванну в виде примесей из шлака, из основного и присадочного металла. Уже при содержании в металле 0,01 % серы в процессе кристаллизации металла шва из раствора по границам зерен выпадает легкоплавкий сульфид железа FeS. От растягивающих напряжений при усадке металла в процессе его охлаждения прослойки, заполненные FeS, разрушаются, образуются горячие трещины. Таким образом, сера вызывает красноломкость стали — снижение ее прочности при высокой температуре. Процессы удаления серы из металла называют обессериванием (десульфурацией).

Кристаллизация металла шва

Кристаллизацией называется процесс образования зерен из расплавленного металла при переходе его из жидкого состояния в твердое. Различают первичную и вторичную кристаллизацию.

Первичная кристаллизация протекает при высоких скоростях охлаждения и перехода из жидкого в твердое состояние с образованием столбчатой структуры. Вторичная кристаллизация начинается с распада первичной структуры и заканчивается при низких температурах образованием устойчивых нераспадающихся микроструктур.

Кристаллизация металла сварочной ванны начинается в зоне сплавления от твердых кромок свариваемых деталей (рис. 2.9). Началом кристаллизации являются неполностью оплавленные зерна на кромках металла. Они наращиваются затвердевающими частицами металла сварочной ванны. Из сварочной ванны появляются зародыши новых растущих зерен. Такие частицы имеют очень низкую концентрацию углерода. По мере снижения температуры ванны и приближения к температуре затвердевания зародыши обогащаются углеродом, концентрация которого доходит до 0,07%.

Рис. 2.9— Кристаллизация металла шва: а — дендритная (столбчатая) структура однопроходного шва, б — дендрит А (увеличен), m — неполностью оплавленное зерно основного металла; 1 — ось первого порядка кристаллизации, 2 — ось второго порядка, 3 — ось третьего порядка; кружки — зародыши кристаллизации (будущие зерна)

При затвердевании металла происходят два явления: первоначальное образование зародышей зерен и последующий их рост за счет присоединения к ним новых зерен металла из сварочной ванны. Зародыши появляются первоначально на оси первого порядка (рис. 2.9б), перпендикулярной плоскости отвода тепла. От оси первого порядка под углом возникают и растут зародыши на оси второго порядка. Могут образоваться зародыши и на оси третьего порядка и т. д., образуя кристаллиты, формой напоминающие деревья и называемые поэтому дендритами (от французского слова «дендрон» — дерево). Химический состав каждого дендрита может быть неодинаковым, что объясняет химическую неоднородность металла шва. Дендриты, образовавшиеся в конце процесса кристаллизации, загрязнены примесями в большей степени, чем первые затвердевшие дендриты, что наблюдается при низких скоростях охлаждения. Дендриты соприкасаются между собой и этим взаимно тормозят свое развитие. В результате этого их форма и направленность могут сильно искажаться.

Кристаллизация металла сварных швов имеет прерывистый характер. Под действием сил, появляющихся в процессе сварки и кристаллизации, металл сварочной ванны постоянно находится в движении. Эти силы придают металлу шва слоистый характер при любых условиях сварки (рис. 2.10). Чем сильнее теплоотвод и меньше объем жидкого металла, том тоньше кристаллизационный слой. Слоистый характер затвердевшего металла выражается чешуйчатостью шва. Кристаллизационные слои в любом сечении шва могут быть рассмотрены на специально подготовленных макрошлифах.

Зерна металла шва обычно имеют округлую форму. Зерна основного металла по форме отличаются от зерен металла шва тем, что они деформированы и вытянуты в направлении прокатки.

Рис. 2.10 — Схема кристаллизационных слоев в шве:

а — поперечное сечение стыкового соединения;

б — внешний вид (чешуйчатость) шва.

Презентация «Основы металлургических процессов при сварке»

Описание презентации по отдельным слайдам:

ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ СВАРКЕ

Металлургические процессы при сварке – это процессы взаимодействия жидкого металла с газами и шлаками, которые протекают во время плавления электрода, при переходе капли жидкого металла через дугу, а так же в самой сварочной ванне. МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ СВАРКИ

ОСОБЕННОСТИ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ СВАРКЕ. — высокая температура нагрева металла; — малый объём расплавленного металла; — активное взаимодействие расплавленного металла с окружающей средой и шлаками; — быстротечность протекания процесса.

ЗАГРЯЗНЕНИЕ МЕТАЛЛА ШВА Металл шва насыщается вредными веществами из окружающего воздуха, влаги, ржавчины, масел, минералов, которые входят в состав сварочных материалов, различных химических соединений, которые образуются во время взаимодействия расплавленного металла со сварочными материалами.

СПОСОБЫ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЙ — просушиванием сварочных материалов для удаления влаги

СПОСОБЫ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЙ Удалением ржавчины с поверхности свариваемых деталей:ручным,химическим и механическим способами

СПОСОБЫ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЙ Удалением влажности с поверхности свариваемых деталей: ветошью или термическим способом.

СПОСОБЫ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЙ Удалением масла с поверхности свариваемых деталей;

СПОСОБЫ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЙ — созданием газовой и шлаковой защиты дуги и свариваемого металла;

СПОСОБЫ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЙ Раскислением — переводом оксида железа в нерастворимые соединения с последующим удалением в шлак через электродную проволоку, покрытия и флюсы. Раскислителями являются марганец, кремний, титан, алюминий, углерод и другие элементы.

СПОСОБЫ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЙ Рафинированием – удалением сульфидов, фосфидов, нитридов, водорода с помощью химических реакций и созданием новых химических соединений, которые не растворяются в железе, а переходят в шлак. Для рафинирования применяют: ферросплавы — сплавы железа с другими элементами (Cr, Si, Mn, Ti и др.),

Кристаллизация металла шва Кристаллизацией называют процесс образования кристаллов металла из расплава при переходе его из жидкого в твердое состояние.

Кристаллизация металла шва Схема кристаллизации расплава в зависимости от формы сварочной ванны: а — узкая сварочная ванна с глубоким проплавлением; б — широкая сварочная ванна

СТРОЕНИЕ СВАРНОГО ШВА 1) основного металла; 2) наплавленного металла сварного шва; 3)зоны сплавления; 4)зоны термического влияния.

СТРОЕНИЕ СВАРНОГО ШВА

Зоны термического влияния Участок неполного расплавления является переходным от зоны наплавленного металла шва к основному металлу, представляет собой область основного металла, нагретого несколько выше температуры плавления, и находится в твердожидком состоянии

Читайте также  Как сварить бак из нержавейки своими руками?

Зоны термического влияния Участок перегрева является областью сильно нагретого (1100-1500 °С) основного металла с крупнозернистым строением и пониженными механическими свойствами

Зоны термического влияния Участок нормализации является областью основного металла, нагретого в пределах от 930 до 1100 °С. Основной металл находится при таких температурах сравнительно недолго и в процессе перекристаллизации при охлаждении приобретает мелкозернистую структуру с высокими механическими свойствами, как правило, выше свойств основного металла в его исходном состоянии.

Зоны термического влияния Участок неполной кристаллизации является областью основного металла нагретого до 720—850 °С. Эта область характеризуется неполной перекристаллизацией, при которой вокруг крупных зерен феррита, не прошедших перекристаллизацию, находятся более мелкие зерна феррита и перлита, образовавшиеся в процессе перекристаллизации.

Зоны термического влияния Участок рекристаллизации является областью основного металла, нагретого в пределах от 450 до 720 °С. Этот участок наблюдается при сварке сталей, подвергавшихся пластической деформации (например, прокату), и характерен восстановлением формы и размеров разрушенных при деформации зерен металла.

Зоны термического влияния Участок синеломкости располагается за участком рекристаллизации и лежит в интервале температур от 200 до 450°С. На этом участке наблюдаются синие цвета побежалости, откуда и название. Основной металл в этой зоне не имеет видимых структурных изменений, однако характеризуется снижением пластических свойств.

Образование трещин и газовых пор в металле шва в зависимости от температур, при которых они образуются, трещины разделяют на две группы: горячие (высокотемпературные); холодные (низкотемпературные).

Образование трещин в металле шва Горячие трещины представляют собой хрупкие межкристаллические разрушения металла шва и околошовной зоны, возникающие в процессе кристаллизации в твердожидком состоянии, а также при высоких температурах в твердом состоянии. Образованию горячих трещин способствует содержание в металле шва примесей — серы, фосфора

Образование трещин в металле шва Холодные трещины в структуре металла располагаются как по границам, так и по телу зерен. Поэтому они представляют собой внутрикристаллические разрушения. Холодные трещины в сварных соединениях образуются при температурах 200 — 300°С. Образуются в швах при сварке закаливающихся сталей. На склонность металла к образованию холодных трещин оказывают влияние повышенное содержание углерода и элементов, облегчающих закалку, наличие в шве водорода, загрязнение фосфором, быстрое охлаждение и наличие в швах внутренних напряжений.

Образование газовых пор в металле шва Поры в сварных швах возникают при первичной кристаллизации металла сварочной ванны в результате выделения газов. Поры представляют собой полости в швах, заполненные газом, имеющие сферическую, вытянутую или более сложные формы. Поры могут располагаться по оси шва, его сечению или вблизи границы сплавления. Поры при сварке в основном возникают за счет газов водорода, азота и оксида углерода, образующихся в результате химических реакций с выделением газовых продуктов, выделения газов в связи с разной растворимостью их в жидком и твердом металле, захватом газа из окружающей среды при кристаллизации сварочной ванны.

Показатели качества сварки деталей

  • Все материалы
  • Статьи
  • Научные работы
  • Видеоуроки
  • Презентации
  • Конспекты
  • Тесты
  • Рабочие программы
  • Другие методич. материалы

  • Онищенко Сергей ЯковлевичНаписать 3695 27.02.2017

Номер материала: ДБ-229975

  • Технология
  • Презентации
    27.02.2017 236
    27.02.2017 436
    27.02.2017 624
    27.02.2017 2203
    27.02.2017 700
    27.02.2017 636
    27.02.2017 2075

Не нашли то что искали?

Вам будут интересны эти курсы:

Оставьте свой комментарий

Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.

В электронной школе могут разместить лекции серии «Моя страна — моя Россия»

Время чтения: 1 минута

Молодым россиянам начислят по 3000 рублей на культурное просвещение

Время чтения: 1 минута

Школьники из России победили на соревнованиях по робототехнике

Время чтения: 1 минута

В Петербурге создали программу для защиты детей в интернете

Время чтения: 3 минуты

В Минобрнауки дали пояснения к рекомендациям для вузов

Время чтения: 2 минуты

Вузам рекомендовали поощрить привитых сотрудников дополнительным выходным

Время чтения: 1 минута

Подарочные сертификаты

Ответственность за разрешение любых спорных моментов, касающихся самих материалов и их содержания, берут на себя пользователи, разместившие материал на сайте. Однако администрация сайта готова оказать всяческую поддержку в решении любых вопросов, связанных с работой и содержанием сайта. Если Вы заметили, что на данном сайте незаконно используются материалы, сообщите об этом администрации сайта через форму обратной связи.

Все материалы, размещенные на сайте, созданы авторами сайта либо размещены пользователями сайта и представлены на сайте исключительно для ознакомления. Авторские права на материалы принадлежат их законным авторам. Частичное или полное копирование материалов сайта без письменного разрешения администрации сайта запрещено! Мнение администрации может не совпадать с точкой зрения авторов.

.Особенности металлургических процессов при сварке

Урок- Презентация. Продолжаем готовить сварщиков .

Просмотр содержимого документа
«.Особенности металлургических процессов при сварке»

Особенности металлургических процессов при сварке

Подготовил Акхузин Андрей Ахметович, преподаватель ФКП ОУ№228. ,г.Курган,Курганская область

При сварке плавлением под воздействием теплоты электрической дуги происходит образование сварочной ванны.

Сварочная ванна – это небольшой объем перегретого выше температуры плавления расплавленного металла, находящегося в контакте:

  • сверху – с газовой атмосферой дуги;
  • снизу – с твердым холодным основным металлом.

Сварочная ванна образуется в результате расплавления и перемешивания основного и электродного (или присадочного) металлов.

Химический состав сварочной ванны определяется химическим составом основного металла и химическим составом электродной проволоки.

Конечный состав шва формируется после протекания металлургических процессов в сварочной ванне в результате ее контакта с выделяющимися газами, шлаком и воздухом.

Металлургические процессы в сварочной ванне соответствуют закономерностям металлургии, но имеют свои особенности:

1 Высокая температура процесса (температура столба дуги составляет около 6000 ⁰С), которая обуславливает:

  • Высокую скорость протекания физико-химических процессов, происходящих при расплавлении металла. Оно вызывает также диссоциацию (распад молекул кислорода, азота и паров воды в объеме дуги). В атомарном состоянии распавшиеся молекулы обладают высокой химической активностью и интенсивно взаимодействуют с расплавленным металлом шва. Высокая температура способствует выгоранию примесей, тем самым изменяет химический состав свариваемого металла.
  • Высокую скорость протекания физико-химических процессов, происходящих при расплавлении металла.
  • Оно вызывает также диссоциацию (распад молекул кислорода, азота и паров воды в объеме дуги). В атомарном состоянии распавшиеся молекулы обладают высокой химической активностью и интенсивно взаимодействуют с расплавленным металлом шва.
  • Высокая температура способствует выгоранию примесей, тем самым изменяет химический состав свариваемого металла.

2 Небольшой объем ванны расплавленного металла (при ручной сварке – 0,5…1,5 см3) не дает полностью завершиться реакции взаимодействия между жидким металлом, газами и расплавленным шлаком

3 Большие скорости нагрева и охлаждения. Они значительно ускоряют процесс кристаллизации шва, приводят к образованию закалочных структур, трещин и других дефектов.

4 Отвод теплоты из сварочной ванны в основной металл. В околошовном металле происходит изменение структуры металла, которое приводит к ослаблению шва.

5 Взаимодействие расплавленного металла с газами (кислород, азот, водород) и шлаками в зоне дуги.

При неправильном ведении процесса сварки водород образует пары в шве, кислород и азот ухудшают механические свойства металла. Кислород попадает в зону сварки из окружающего воздуха, из влаги кромок свариваемого металла, из влаги флюсов, обмазки электродов, а также из самих материалов обмазки и флюсов (в них кислород находится в связанном состоянии в виде оксидов марганца и кремния).

Дополнительный источник кислорода и водорода – это ржавчина , загрязнения и конденсирования влаги на поверхностях проволоки и свариваемого металла.

Основные реакции в зоне сварки

Рассмотрим взаимодействие расплавленного металла с газовой средой, и взаимодействие металла и шлака.

1 Взаимодействие расплавленного металла с кислородом, азотом, водородом

Взаимодействие металла с кислородом – это окисление.

Процесс нежелательный, но неизбежный.

Окисление может идти по двум направлениям:

— окисление основы сплава,

— окисление примесей содержащихся в стали.

1.1 Окисление основы сплава.

В случае со сталями – это окисление железа с образованием его оксидов.

В зоне дуги молекулярный кислород распадается с образованием атомарного кислорода. Диоксид диссоциирует с образованием углерода (образуется при распаде в дуге покрытий и флюса).

Кислород образует с железом три оксида:

  • FeO – закись железа (оксид двухвалентного железа);
  • Fe2O3 – оксид трехвалентного железа;
  • Fe3O4 , FeO∙Fe2O3 – оксид железа со слабыми кислотными свойствами.

При охлаждении стали оксиды выпадают из раствора в шлак, но при высоких скоростях охлаждения часть оксидов застревает в растворе, образую шлаковые прослойки между зернами металла.

1.2 Окисление полезных примесей содержащихся в стали.

Это кремний, марганец, титан, хром, углерод и д.р.

Образуются оксиды этих металлов, которые не растворяются в железе. Они как бы «вынимаются» из состава стали и переходят в шлак.

Оксид углерода СО2 выделяется в атмосферу.

Взаимодействие расплавленного металла с азотом.

Азот попадает в зону сварки из окружающего воздуха. В зоне сварки находится в молекулярном (N2) и атомарном (N) состояниях и растворяется в металле шва.

При содержании азота свыше предела растворимости образуются химические соединения – нитриды.

Читайте также  Mig mag сварка что это?

Это нитриты: железа – Fe2N, Fe4N;

В легированных сталях – это нитриды легирующих элементов.

Азот является вредной примесью стали, т.к. снижает ее пластичность и вязкость (хотя и повышает твердость и прочность).

Взаимодействие металла с водородом.

Водород в процессе сварки образуется во время диссоциации водяных паров при высокой температуре дуги.Водяные пары находятся во влаге покрытия электрода, во флюсе, в ржавчине и окружающем воздухе.

Водород (в молекулярном и атомарном состоянии) растворяется в железе. Растворимость зависит от температуры металла. При температуре 2400 ⁰С насыщение металла водородом достигает максимума (43 см3 на 100 г металла).

При высоких скоростях охлаждения водород не успевает полностью выделится из металла и образует пористость металла шва и мелкие трещины в структуре металла, что редко снижает пластичность металла.

Кроме этого водород может образовать гидриды с некоторыми элементами из структуры металла: Ti, V, Nb.

Для получения сварного шва высокого качества расплавленный металл сварочной ванны необходимо защищать.

Способы защиты сварочной ванны:

  • Создание защиты дуги и ванны. Это покрытие электродов, флюсы, защитные газы, вакуум.
  • Тщательная очистка свариваемой поверхности, проволока.
  • Прокалка сварочных материалов и осушка защитных газов.
  • Введение в состав сварочных материалов элементов – расширителей, которые могут связывать кислород, попавший в сварочную ванну с образованием не растворимых оксидов (для стали Mn, Si, Ti).
  • Применение сварочных материалов с повышенным содержанием легкоокисляющихся элементов с учетом их выгорания при сварке.

  • II Взаимодействие расплавленного металла и шлака
  • Оно определяется составом шлака.
  • Шлаки образуются в результате расплавления электродов или флюсов. Они состоят из смеси оксидов, фторидов, хлоридов различных элементов и чистых металлов.

В результате взаимодействия со шлаком происходит:

  • Раскисление металла сварочной ванны.
  • Удаление вредных примесей, путем связывания их в нерастворимые соединения и вывода их в шлак.
  • Легирование шва для восполнения выгоревших при сварке элементов металла или придания шву специальных свойств.

Легирующие элементы это: Si, Mn, Cr, Mo, W, Ti вводят в состав электродных материалов, покрытий, флюсов в чистом виде или в виде химических соединений.

Во флюсе – это ферросплавы (ферросилиций, ферромарганец, феррохром, феррованадий и т.д.). Все три процесса носят положительный характер.

Жидкий металл сварочной ванны раскисляют вводя в него элементы, имеющие большое сродство к кислороду: Al, Ti, Si, C, Mn.

Эти элементы вводят в сварочную ванну либо в виде электродной проволоки (или присадочного металла) либо электродного покрытия, либо флюса.

Раскисление протекает по реакции:

Где Al2O3 – тугоплавкий оксид, придающий стали склонность к образованию трещин. Поэтому алюминий как раскислитель применяется редко.

Раскисление титаном протекает по реакции:

Титан является активным раскислителем, т.к. кроме оксида TiO2 образует нитриды TiN, снижая содержание азота в металле.

  • Кремний

Раскисление кремнием происходит по реакции:

Кроме того, протекает реакция образования силикатов:

где FeO∙SiO2 силикат оксида железа.

Силикаты не растворяются в железе и выходят в шлак.

Раскисление углеродом происходит по реакции:

где СО – оксид углерода (моноокись улерода) не растворяется в стали и выделяется в виде пузырьков

При больших скоростях охлаждения СО не успевает выделится из металла шва и образует в нем газовые поры.

Для предупреждения пористости в сварочную ванну вводят кремний в большом количестве, чтобы подавить раскисляющее действие углерода.

  • Марганец

Самый распространенный раскислитель. Раскисление проходит по реакции:

Оксид марганца взаимодействует с оксидом кремния и образует нерастворимый в стали силикат марганца.

Кроме этого марганец способствует удалению серы из стали по реакции:

где МnS – сернистый марганец. Не растворяется в стали и выходит в шлак.

Вывод: металлургический процесс при сварке характеризуется тремя отрицательными процессами:

  • Выгорание элементов из металла сварочной ванны.
  • Насыщение расплавленного металла газами: водорода и азота.
  • Окисление металла шва.

И двумя положительными процессами:

  • Раскисление алюминия, титана, кремния, углерода, марганца.
  • Легирование металла шва этими элементами.

Металлургические процессы при газовой сварке, кристаллизация металла шва

В процессе газовой сварки расплавленный металл сварочной ванны взаимодействует со сварочным пламенем. Это взаимодействие определяется свойствами свариваемого металла и составом сварочного пламени. Сваривают восстановительной зоной пламени, состоящей в основном из оксида углерода и водорода. Сварочная ванна характеризуется малым объемом расплавленного металла, высокой температурой в месте сварки и большой скоростью расплавления и кристаллизации металла.

Расплавленный металл ванны вступает во взаимодействие с газами сварочного пламени, в результате чего происходят реакции окисления и восстановления. Взаимодействие газов с различными металлами различно. Наиболее легко окисляются металлы, обладающие большим сродством к кислороду. Окисление расплавленного металла происходит как за счет оксидов, находящихся на поверхности свариваемого металла и присадочной проволоки, так и за счет кислорода окружающего воздуха. С увеличением содержания кислорода в свариваемом металле ухудшаются механические свойства сварного соединения. Поэтому при газовой сварке для большинства металлов и сплавов для устранения окислительных процессов в присадочные материалы и флюсы вводят специальные раскислители.

Раскислители вещества, которые имеют большее сродство к кислороду, чем металл шва.

При газовой сварке стали раскисляющее действие оказывают углерод, оксид углерода и водорода, образующиеся при горении газовой смеси, подаваемой в сварочную горелку. Поэтому углеродистые стали можно сваривать без флюсов. Таким образом углерод (С), кремний (Si) и марганец (Мn) выполняют функции раскислители. Образующийся в процессе реакции оксид углерода вызывает кипение и разбрызгивание металла. Кипение сварочной ванны до начала кристаллизации способствует удалению посторонних металлических включений. Если металл кипит во время кристаллизации шва, то образующиеся пузыри оксида углерода не успевают выделяться и остаются в шве в виде газовых пор. Для уменьшения образования оксида углерода в сварочную ванну вводят раскислители (Мn и Si). На процесс окисления при сварке металлов большое влияние оказывает состав сварочного пламени. Образующиеся в процессе реакций оксиды кремния и марганца не растворяются в металле, всплывают на поверхность жидкого металла и переходят в шлаки. В жидком металле шва находится много разнородных оксидов, между которыми происходят химические реакции. В результате этих реакций образуются соединения с более низкой температурой плавления, чем сами оксиды, что облегчает удаление оксидов из расплавленного металла в виде шлака.

При газовой сварке алюминия, латуни и других металлов вводят флюсы, в состав которых входят компоненты, способствующие образованию легкоплавких соединений. Раскисление сварочной ванны частично осуществляется углеродом, оксидом углерода и водородом, имеющимися в сварочном пламени. При этом сварочное пламя не только восстанавливает оксиды но и защищает расплавленный металл от кислорода и азота воздуха. Нормальное ацетиленокислородное пламя в средней (восстановительной) зоне содержит 60% оксида углерода, 20% молекулярного и 20% атомарного водорода. Восстановителем железа из закиси железа в основном является атомарный водород. Он растворяется в расплавленном металле, а с понижением температуры стремится выделиться из сварочной ванны. Если затвердевание происходит достаточно быстро, то водород в виде газовых пузырей может остаться в сварном шве. Следовательно, водород, с одной стороны, защищает расплавленный металл от окисления, а также восстанавливает его из оксидов, а с другой стороны, может явиться причиной образования пористости и трещин.

Рисунок 1 — Схема химической неоднородности по слоям кристаллизации в сварных швах

Процесс газовой сварки характеризуется относительно медленным охлаждением металла, поэтому водород и другие газы успевают выделиться из сварочной ванны и металл шва получается без пор. Поступающий в сварочную ванну азот воздуха снижает пластические свойства свариваемого металла, а также вызывает пористость в металле шва.

Кристаллизация металла шва

Процесс образования сварного соединения начинается с нагрева и расплавления основного и присадочного металлов.

Кристаллизация процесс образования зерен из расплавленного металла при переходе его из жидкого состояния в твердое

Процесс кристаллизации сварных швов отличается от кристаллизации слитков высокими скоростями. Различают первичную и вторичную кристаллизации. Первичная кристаллизация осуществляется при высоких скоростях охлаждения, вторичная начинается с распада первичной в результате структурных превращений и заканчивается при низких температурах. Как и во всех случаях сварки плавлением кристаллизация металла шва осуществляется на зернах основного металла. Более медленный прогрев при газовой сварке основного металла приводит к большему росту зерен нерасплавленных кромок металла, а следовательно, и уменьшению количества центров кристаллизации формирующегося шва. Процесс кристаллизации сварных швов осуществляется прерывисто, этим и объясняется появление кристаллизационных слоев. Чем сильнее тепло-отвод и меньше объем жидкого металла, тем тоньше кристаллизационный слой. Кристаллизационные слои можно рассмотреть на специально изготовленных макрошлифах в любом сечении шва. Первый участок возникает в результате кристаллизации тонкой прослойки жидкого металла, примыкающей к оплавленной поверхности. Второй участок кристаллизуется из жидкого металла исходного материала.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: