Основные металлургические процессы в сварочной ванне

Сварочная ванна представляет собой относительно небольшой объем перегретого выше температуры плавления расплавленного металла, находящегося в контакте, как правило, сверху, в передней части, с газовой атмосферой дуги, в хво­стовой части со слоем расплавленного шлака, снизу и с боков – с твердым холод­ным основным металлом. Сварочная ван­на образуется в результате расплавления и перемешивания основного и электродного (или присадочного) металлов.

Химический состав сварочной ванны в первую очередь определяется составом электродной проволоки и основного ме­талла в зависимости от доли его участия в шве. Доля участия основного металла оп­ределяется способом и режимом сварки и может изменяться от 0,15 до 0,6 для руч­ной сварки покрытыми электродами и ав­томатической под флюсом соответствен­но.

Конечный состав шва устанавливается после протекания металлургических про­цессов на поверхностях и в объеме капель электродного металла и сварочной ванны в результате контакта с газовой и шлако­вой фазами.

Металлургические процессы в свароч­ной ванне развиваются в соответствии с основными закономерностями металлур­гии металлов. Особенности состоят, с од­ной стороны, в высокой скорости проте­кания процессов, обусловленной высокой температурой, с другой, – их незавершен­ностью вследствие кратковременности существования сварочной ванны.

14.2 Взаимодействие расплавленного ме­талла с газовой фазой

Взаимодействие расплавленного ме­талла с газовой фазой определяется со­ставом атмосферы дуги и химическими свойствами элементов, содержащихся в расплавленном металле.

Атмосфера дуги состоит из смеси газов: , паров: воды, металла и шлака.

попадают в атмосферу дуги в основном из воздуха, а также из сварочных материалов (свароч­ной проволоки, покрытий электродов, флюсов и защитных газов).

Дополнитель­ным источником могут быть ржавчина, органические загрязнения и конденсированная влага на поверхности проволоки и свариваемого металла. образуются в результате разложения в дуге компонентов покрытий электродов и флюсов.

В случае сварки в защитной ат­мосфере углекислого газа они составляют основу атмосферы дуги. Количественное соотношение и парциальное давление га­зов зависят от вида сварки и применяемо­го способа защиты сварочной ванны.

При высокой температуре дуги основная часть газов диссоциирует и переходит в атомар­ное состояние. При этом их химическая активность и способность к растворению в расплавленном металле повышаются.

Кислород, взаимодействуя с расплав­ленным металлом, в первую очередь окис­ляет элемент, составляющий его основу.

В случае стали окисляется железо и обра­зуются его оксиды.

Оксид растворя­ется в металле шва и окисляет примеси или легирующие элементы, обладающие большим химическим сродством к кисло­роду: Si, Mn, Ti, Cr, С и др. Оксиды этих элементов не растворимы в железе, и их основное количество переходит в шлак. Оксид углерода выделяется из расплав­ленного металла в атмосферу.

Азот растворяется в расплавленном металле. При содержании свыше предела растворимости азот образует химические соединения – нитриды. Нитриды могут образовываться также с легирующими элементами, входящими в состав сплавов (в стали нитриды титана и алюминия).

Водород также растворяется в расплав­ленном металле. С рядом металлов (Ti, V, Nb и др.) водород образует химические соединения – гидриды.

Взаимодействие расплавленного ме­талла с газовой фазой может приводить к следующим отрицательным последствиям:

- "выгоранию" легкоокисляющихся эле­ментов, а следовательно, к снижению их содержания в сварочной ванне по сравне­нию с содержанием в сварочной проволоке;

- снижению прочностных и главным об­разом пластических свойств при наличии в шве оксидов, нитридов и водорода (рас­творенного или скопившегося в микронесплошностях металла);

- образованию пор в шве вследствие за­держки выхода пузырьков газов () в процессе кристаллизации сварочной ванны.

Основные способы предотвращения отрицательного влияния газов:

- создание эффективной защиты дуги и сварочной ванны (покрытие электродов, флюсы, защитные газы, вакуум);

- тщатель­ная очистка свариваемой поверхности, проволоки, прокалка сварочных материа­лов и осушка защитных газов;

- введение в состав сварочных материа­лов необходимого количества элементов-раскислителей, способных связать попав­ший в сварочную ванну кислород в нерас­творимые оксиды (для стали Mn, Si, Ti );

- применение сварочных материалов с повышенным содержанием легкоокисляющихся элементов с учетом их выгора­ния при сварке.

14.3 Взаимодействие расплавленного ме­талла и шлака

Взаимодействие расплавленного ме­талла и шлакаопределяется составом шлака и условиями перераспределения растворимых соединений между контак­тирующими жидкими фазами. Шлаки об­разуются в результате расплавления по­крытий электродов или флюсов. Они со­стоят из смеси оксидов, фторидов, хлори­дов различных элементов и чистых метал­лов.

В результате взаимодействия со шла­ком происходят:

- раскисление металла сва­рочной ванны,

- удаление вредных примесейпутем связывания их в нерастворимые соединения и вывода в шлак,

- легирование шва определенными элементами для вос­полнения их выгорания при сварке или придания шву специальных свойств.

При сварке сталей раскислителями служат Мn и Si, которые восстанавливают FeO, а их нерастворимые оксиды выводят­ся в шлак. Кроме того, марганец нейтра­лизует вредное действие растворенной в железе серы, связывая ее в нерастворимый и тугоплавкий сульфид MnS.

Мелкие час­тицы нерастворимых оксидов и сульфидов остаются в металле шва в виде неметалли­ческих включений. Однако их вредное влияние существенно меньше, чем FeO и FeS. Через шлак шов можно легировать различными элементами.

Кристаллизация сварного шва начина­ется от границ оплавленного основного металла и протекает путем роста столбча­тых кристаллитов к центру шва. При этом оси кристаллита, как правило, остаются перпендикулярными к поверхности дви­жущейся сварочной ванны, в результате чего кристаллиты изгибаются и вытяги­ваются в направлении сварки (рис. 14.1). Вследствие дендритной ликвации примеси располагаются по границам кристаллитов, где они могут образовать легкоплавкие эвтектики и неметаллические включения. Это снижает механические свойства шва и в отдельных случаях может быть причи­ной образования горячих трещин.

Рис. 14.1 – Столбчатые кристаллиты в сварном шве: 1 – сварочная ванна; 2 – изотерма кристаллизации шва; 3 – столбчатый кристаллит

Поиск по сайту: