Металургійні процеси при зварюванні
Хімічний склад металу шва. Хімічний склад металу шва і його властивості залежать від складу і частки участі в формуванні шва основного і електродного (присадочного) металу, реакцій взаємодії розплавляється металу з газами атмосфери і захисними засобами.
При ручного дугового зварювання покритим електродом частка основного металу в шві складає 015-040 - при наплавленні валиків, 025-050 - при зварюванні кореневих швів, 025-060 - при зварюванні під флюсом.
Металургійні реакції при зварюванні. При зварюванні без захисту розплавляється метал інтенсивно поглинає гази атмосфери, тому зварні шви мають низькими механічними властивостями. Для ізоляції металу від повітря в процесі зварювання застосовують різні засоби захисту: електродні покриття, флюси, захисні гази, вакуум. Однак повністю ізолювати метал від повітря зазвичай не вдається. Самі засоби захисту також взаємодіють з металом, навіть інертний газ і вакуум, що містять деяку кількість домішок. Хімічні реакції взаємодії розплавленого металу з газами і засобами захист називаються зварювальними металургійними реакціями.
Мал. 1. Поперечний перетин шва:
а - стикове з'єднання, б - наплавлення; 1 - основний метал, 2 - проплавления метал, 3 - наплавлений метал
Виділяють дві основні зони або стадії взаємодії розплавленого металу з газами і шлаком: торець електрода з утворюються на ньому краплями і зварювальну ванну. Повнота протікання металургійних реакцій залежить від температури, часу взаємодії, поверхні і концентрації реагуючих речовин.
Характерні умови металургійних реакцій при зварюванні, як і при кристалізації, - висока температура нагріву, відносно малий обсяг розплавляється металу, короткочасність процесу.
Середня температура крапель електродного металу, що надходять в ванну, збільшується зі збільшенням щільності струму і складає при зварюванні сталей від 2200 до 2700 ° С, т. Е. Характеризується значним перегрівом. Температура зварювальної ванни при дугового зварювання також характеризується значним перевищенням над точкою плавлення, перегрів складає 100-500 ° С. Висока температура сприяє високій швидкості протікання реакцій, проте через великі швидкостей охолодження реакції при зварюванні зазвичай не встигають завершитися повністю.
Металургійні реакції при зварюванні одночасно протікають у газовій, шлакової і металевої фазах.
Взаімодействіе'металла з газами. При дугового зварювання газова фаза зони дуги, що контактує з розплавленим металом, складається з суміші N202 Н2 С02 СО, парів Н20 а також продуктів їх дисоціації і парів металу та шлаку. Азот потрапляє в зону зварювання головним чином з повітря. Джерелами кисню і водню є повітря, зварювальні матеріали (електродні покриття, флюси, захисні гази і т. П.), А також оксиди, поверхнева волога та інші забруднення на поверхні основного і присадочного металу. Нарешті, кисень, водень і азот можуть міститися в надмірній кількості в переплавляють металі. У зоні високих температур відбувається розпад молекул газу на атоми (дисоціація).
При контакті розплавленого металу, що міститься в газовій або шлакової фазах, відбувається розчинення кисню в металі, а при досягненні межі розчинності - хімічну взаємодію з утворенням оксидів. Одночасно відбувається окислення домішок і легуючих елементів, що містяться в металі. В першу чергу окислюються елементи, що володіють більшою спорідненістю до Кисню. Наприклад, титан окислюється по реакції Ti + 02 = Ti02 марганець по реакції Мп + 02 = Мп02.
Залізо утворює з киснем три з'єднання (оксиду): закис заліза FeO, що містить 2227% 02; закис-окис заліза Fe304 що містить 2764%, 02; окис заліза, що містить 3006% Оа. Кисень знижує міцність і пластичні властивості металу.
Азот розчиняється в більшості конструкційних матеріалів і з багатьма елементами утворює сполуки, які називаються нитридами. З залізом він утворює нітрид Fe2N (1115% Na) та Fe4N (59% N2). Азот викликає охрупчивание, пори і старіння сталей.
Водень також розчиняється в більшості металів. Метали, здатні розчиняти водень, можна розділити на дві групи. До першої групи належать метали, що не мають хімічних сполук з воднем (залізо, нікель, кобальт, мідь і ін.). До другої групи належать метали (титан, цирконій, ванадій, ніобій, тантал, паладій, рідкоземельні елементи та ін.), Що утворюють з воднем хімічні сполуки, які називаються гідридами. Водень дуже шкідлива домішка, так як є причиною пір, мікро- і макротріщин в шві і в зоні термічного впливу.
Окис вуглецю СО в металі шва не розчиняється, в процесі кристалізації зварювальної ванни вона виділяється і може утворити пори. Вуглекислий газ застосовують для захисту зони зварювання при використанні розкислюючих елементів (Мп, Si), нейтралізують окисне дію С02.
Основні способи боротьби з шкідливим впливом газів - якісний захист і застосування елементів розкислювачів в зварювальних матеріалах.
Взаємодія металу зі шлаком. При розплавленні зварювального флюсу, електродного покриття, сердечника порошкового дроту утворюється шлак. Основне призначення зварювального шлаку - ізоляція розплавленого металу від повітря. Флгоси і покриття стабілізують дугу, сприяють якісному формуванню шва, здійснюють металургійну обробку розплавленого металу - його розкислення і легування.
Оксиди кремнію і марганцю переходять в шлак.
Зварювальні матеріали поряд з окислювачами можуть містити шкідливі компоненти - сірку і фосфор, так як вони є причиною гарячих тріщин і охрупчивания металу шва. Сірка, з'єднуючись із залізом, утворює сульфід заліза FeS. Метал очищають від сірки, вводячи більш активний елемент ,, ніж зварюваний метал, по реакції FeS + MnS: Fe + MnS. Сульфід марганцю менш розчинний в стали, ніж сульфід заліза, що викликає перерозподіл сірки з розплавленого металу в шлак.