Лекция № 24 Металлургические процессы при сварке плавлением

Сварка отличается от других металлургических процессов сле­дующими особенностями: а) происходит при высокой температуре нагрева; б) протекает с большой скоростью; в) характеризуется очень малыми объемами нагретого и расплавленного металла; г) при сварке имеет место быстрый отвод тепла от расплавленного металла сварочной ванны в прилегающие к ней зоны твердого ос­новного металла; д) на расплавленный металл в зоне сварки воз­действуют окружающие его газы и шлаки;

Высокая температура при сварке сильно ускоряет процессы плавления электродного и основного металла, электродного пок­рытия и флюса. При этом происходит выделение газов (в основном за счет окисления углерода), испарение, разбрызгивание и окисле­ние веществ, участвующих в химических реакциях в зоне сварки.

Молекулы кислорода, азота, водорода при высоких температурах дуги частично распадаются па атомы (диссоциируют). В ато­марном состоянии эти элементы обладают высокой химической ак­тивностью. Вследствие этого окисление элементов, насыщение ме­талла азотом, поглощение водорода в процессе сварки протекают более интенсивно, чем при обычных металлургических процессах.

Малые объемы расплавленного металла в сварочной ванне и интенсивный отвод тепла в окружающий металл обуславливают кратковременность протекающих химических реакций,

Химический состав, структура и плотность металла шва зави­сят от состава основного и присадочного металла, характера и сос­тава газов, окружающих жидкий металл, режима сварки и про­чих факторов.

Указанные особенности металлургических процессов при свар­ке затрудняют получение сварных швов высокого качества.

Рассмотрим основные реакции в зоне сварки для стали, как наиболее распространенного металла, подвергаемого сварке.

Окисление.

Кислород является наиболее вредной примесью в зоне сварки, так как окисляет элементы, входящие в состав метал­ла шва, и ухудшает его качество, образуя химические соедине­ния— окислы.

Окисление элементов в основном происходит за счет кислорода, содержащегося в газах и шлаках сварочной зоны. В меньшей степени окисление может быть вызвано кислородом поверхностных окислов свариваемого металла (окалины, ржавчины). При случайном увеличении длины дуги капли электродного метал­ла могут окисляться кислородом окружающего воздуха.

С железом кислород образует три окисла:FeO, Fe₂O₃ , Fe₃ O₄.

Наибольшее влияние на свойства стали оказывает оксид железа FeO, так как только он растворяется в железе. Растворимость оксида железа в стали зависит главным образом от содержания углерода и температуры металла. С увеличением содержания углерода в стали растворимость оксида железа снижа­ется. При высокой температуре стали растворимость окси­да железа выше, чем при низкой температуре.

Поэтому при охлаждении стали происходит выпадение из раствора ок­сида железа FеО. При высоких скоростях охлаждения часть оксида железа остается в растворе, образуя шлаковые про­слойки между зернами металла.

При сварке стали в первую очередь окисляется железо, поскольку оно является основным элементом в стали.

Другие элементы, входящие в состав стали (углерод, кремний, марганец), окисляются (выгорают) тем быстрее, чем больше химическое сродство данного элемента с кислородом.

При сварке металла, покрытого ржавчиной, содержащаяся в ней влага испаряется, пары воды разлагаются на водород и водород, который окисляет железо в FeO.

Присутствие кислорода в металле шва в виде твердого раствора или включений окислов понижает механические свойства, снижает стойкость металла против коррозии, делает металла ломким.

Таким образом, главным условием получения наплавленного металла высокого качества является его защита от окисления кислородом окружающей среды. Это достигается созданием вокруг расплавленного металла защитной среды из газов и шлаков, а также раскислением металла шва.

Раскисление

Процесс удаления кислорода из наплавленного металла с целью повышения его качества называется раскислением.Раскисление ведется путем введения в сварочную ванну элементов – раскислителей (марганец, кремний, алюминий, титан). Раскислители входят в состав сварочной проволоки или электродных покрытий и флюсов, откуда они поступают в сварочную ванну, вступают в реакцию с оксидом железа FeO, выводя его в шлак.

Рафинирование

Процесс удаления вредных примесей из сварного шва (сера, фосфор).Серу удаляют введением марганца, который образует химическое соединение (сернистый марганец) не растворимое в жидком металле, которое полностью переходит в шлак. Фосфор также в ходе химических реакций переходит в шлак.

Легирование

Процесс введения в сплав элементов, придающих ему требуемые свойства. Путем легирования металла шва пополняют элементами, содержание которых уменьшилось вследствие выгорания их при сварке. Легирующие элементы входят в состав проволоки электрода, его покрытие, во флюс. Чем лучше раскислен наплавленный металл, тем большее количество легирующего элемента им усваивается.