Текст книги "Металлургические процессы при сварке"

Илья Мельников
Металлургические процессы при сварке

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МЕТАЛЛА С ГАЗАМИ

Под воздействием теплоты электрической дуги происходит расплавление кромок свариваемого изделия, электродного (или присадочного) металла, покрытия или флюса. При этом образуется сварочная ванна расплавленного металла, покрытая слоем 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.

Металлургические процессы, протекающие при сварке, определяются высокой температурой, небольшим объемом ванны расплавляемого металла, большими скоростями нагрева и охлаждения металла, отводом теплоты в окружающий ванну основной металл, интенсивным взаимодействием расплавляемого металла с газами и шлаками в зоне дуги.

Высокая температура сварочной дуги вызывает также диссоциацию (распад) молекул кислорода и азота в атомарное состояние. Обладая большой химической активностью, эти газы интенсивнее взаимодействуют с расплавленным металлом шва. В зоне дуги происходит распад молекул паров воды с диссоциацией молекул водорода, атомарный водород активно насыщает металл шва. Высокая температура способствует выгоранию примесей и тем самым изменяет химический состав свариваемого металла. Небольшой объем ванны расплавленного металла (при ручной сварке он составляет 0,5-1,5 см³, при автоматической сварке – 24-300 см³) и интенсивный отвод теплоты в металл, окружающий ванну, не дает 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 действием теплоты происходят структурные изменения в металле околошовной зоны, которые также приводят к ослаблению сварного шва.

На расплавленный металл существенное воздействие оказывают газовая среда и расплавленный шлак.

Кислород поступает в зону сварки из воздуха и электродного покрытия. Взаимодействуя с расплавленным металлом, кислород в первую очередь окисляет железо, так как его концентрация в стали наибольшая. Находясь в зоне дуги как в молекулярном, так и в атомарном состоянии, кислород образует с железом три оксида: FeO, Fе₂О₃ и Fe₃O₄. В процессе окисления железа участвуют также находящиеся в зоне дуги углекислый газ и пары воды.

Из соединений железа с кислородом 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 FeO. При высоких скоростях охлаждения часть оксида железа остается в растворе, образуя шлаковые прослойки между зернами металла.

Окисление примесей, содержащихся в стали, происходит либо непосредственно в дуге, либо при взаимодействии с оксидом железа, растворенного в сварочной ванне металла. Значительное сродство углерода, марганца и кремния с кислородом приводит к сильному уменьшению содержания этих примесей в расплавленном металле шва. Таким образом, кислород находится в стали преимущественно в виде оксидных включений железа, марганца и кремния.

В кипящей низкоуглеродистой стали СтЗ кислорода 0,001-0,002 %, в спокойной стали – 0,03-0,08 %. В металле шва при сварке незащищенной дугой содержание кислорода достигает 0,3 %, при сварке защищенной дугой до 0,05 %.

Азот в зону сварки проникает из окружающего воздуха. В зоне дуги азот находится как в молекулярном, так и в атомарном состоянии. Диссоциированный азот более активно растворяется в расплавленном металле сварочной ванны, чем молекулярный. Растворимость азота зависит от температуры металла шва. При охлаждении металла азот, выделяясь нз раствора, взаимодействует с металлом шва и образует нитриды железа (Fe₂N, Fe₄N), марганца (MnN) и кремния (SiN). При больших скоростях охлаждения азот не успевает полностью выделиться и составляет с металлом перенасыщенный твердый раствор. Со временем такой азот является причиной процесса старения металла.

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 – до 0,03 %.

Азот является вредной примесью стали, так как, повышая прочность и твердость, он вместе с этим значительно снижает пластичность и вязкость металла. Устраняют влияние азота на качество сварного шва хорошей защитой зоны дуги от атмосферного воздуха. Кроме того, применяют сварочные материалы, содержащие алюминий, титан и другие элементы, которые образуют нитриды, выходящие в шлак или менее снижающие качество шва.

Водород в зоне сварки образуется 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. Снижение влияния водорода на качество сварного шва достигается сушкой и прокалкой материалов сварки, очисткой от ржавчины и защитой зоны дуги.

Для получения сварного шва высокого качества необходимо принять меры по защите расплавленного металла сварочнои ванны главным образом от воздействия кислорода, азота и водорода. Защита сварочной ванны осуществляется созданием вокруг дуги газовой оболочки и шлакового слоя над ванной расплавленного металла. Однако эти меры полностью не предохраняют от насыщения металла кислородом, поэтому необходимо производить как раскисление металла, так и удаление образовавшихся оксидов из сварочной ванны.

Раскисление жидкого металла сварочной ванны производят, вводя в него элементы, имеющие большое сродство к кислороду: алюминий, титан, кремний, углерод, марганец. Эти элементы вводят в сварочную ванну либо через электродную проволоку (присадочный металл), либо через электродное покрытие или флюсы.

Алюминий в качестве раскислителя применяется редко, так как он образует тугоплавкие оксиды и придает стали склонность к образованию трещин.

Титан является активным раскислителем и поэтому широко применяется в различных электродных покрытиях. Раскисление протекает по реакции

2FeO + Ti = 2Fe + TiO₂

Кроме того, титан образует нитриды, снижая содержание азота в металле.

Кремний очень хороший раскислитель и применяется в электродных покрытиях и флюсах в виде ферросилиция или кварцевого песка. Раскисление кремнием происходит по реакции

2FeO + Si = 2Fe + SiО₂

Кроме того, протекает реакция образования силикатов

SiO₂ + FeО= FeO•SiО₂

Полученные оксиды и силикат оксида железа выходят в шлак.

Углерод образует с кислородом газообразный оксид углерода, 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 металла шва рекомендуется вводить в сварочную ванну кремний в таком количестве, чтобы подавить раскисляющее действие углерода.

Марганец является наиболее распространенным активным раскислителем. Он входит во многие электродные покрытия и флюсы. Раскисление происходит по реакции

FeO + Mn = Fe + MnО

Оксид марганца, взаимодействуя с оксидом кремния, образует не растворяющийся в стали силикат оксида марганца:

MnО + SiO₂ = MnO•SiО₂

Марганец также способствует удалению серы из стали:

FeS + Mn = Fe + MnS

Сернистый марганец не растворяется в стали и выходит в шлак.

Для восстановления первичного химического состава металла, а в некоторых случаях и для улучшения механических свойств шва производят 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. – используют через электродное покрытие, в виде ферросплавов и электродного металла.

КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ МЕТАЛЛА СВАРОЧНОЙ ВАННЫ

Кристаллизация металла сварочной ванны начинается у границы с нерасплавившимся основным металлом в зоне сплавления. Различают кристаллизацию первичную и вторичную. Первичной кристаллизацией называют процесс перехода металлов и сплавов из жидкого состояния в твердое. У металлов, не имеющих аллотропических превращений, процесс затвердевания и охлаждения исчерпывается только первичной кристаллизацией. У металлов и сплавов, имеющих аллотропические формы или модификации, после первичной кристаллизации при дальнейшем охлаждении происходит вторичная кристаллизация металла в твердом состоянии при переходе из одной аллотропической формы в другую.

Первичная кристаллизация металла сварочной ванны протекает периодически, что обусловлено периодичностью снижения теплообмена и выделения скрытой теплоты кристаллизации. Это приводит к слоистому строению металла шва, к появлению зональной и дендритной ликвации. Толщина закристаллизовавшихся слоев зависит от объема сварочной ванны и скорости охлаждения металла и колеблется в пределах от десятых долей миллиметра до нескольких миллиметров. Зональная (слоистая) ликвация выражается неоднородностью химического состава металла шва в периферийной и центральной зонах. Это является следствием того, что металл периферийных зон затвердевает раньше и поэтому содержит меньше примесей. Металл центральной зоны шва оказывается более обогащенным примесями. Дендритная ликвация характеризуется химической неоднородностью кристаллитов. Первые кристаллиты (центральные и начальные части дендритов) содержат меньше примесей, а междендритное пространство оказывается более загрязненным примесями.

Улучшая условия диффузии ликвирующих примесей в твердом металле можно значительно снизить как слоистую, так и дендритную ликвацию. Например, увеличивая скорость охлаждения металла, сокращают длительность двухфазного состояния металла сварочной ванны и этим снижают степень неоднородности состава жидкой и твердой фаз металла шва.

Большое значение имеет температурный интервал начала и конца кристаллизации. Чем меньше температурный интервал кристаллизации, тем ниже уровень ликвации. Например, в сталях низкоуглеродистых, имеющих температурный интервал кристаллизации 25-35 °С, ликвация незначительна. С увеличением содержания углерода в стали температурный интервал кристаллизации возрастает и степень ликвации повышается.

Вторичная кристаллизация металла происходит при дальнейшем охлаждении твердого металла в виде изменений форм зерен при аллотропических изменениях в металле шва. Она в значительной степени зависит от химического состава металла, скорости охлаждения, других факторов.

Теплота, выделяемая дугой при сварке, распространяется на основной металл. При этом по мере удаления от границы сплавления скорость и максимальная температура нагрева металла снижаются. Вследствие этого в зоне основного металла в зависимости от температуры нагрева происходят фазовые и структурные изменения, которые влияют на прочность сварного соединения. Зону основного металла, прилегающую к сварочной ванне, называют зоной термического влияния.

Участок неполного расплавления 1 является важным участком зоны, так как здесь происходит сращивание основного и наплавленного металлов и образование общих кристаллов. Участок представляет собой узкую полосу, измеряемую десятыми, а иногда и сотыми долями миллиметра в зависимости от способа сварки.

Участок перегрева 2 включает в себя металл, нагреваемый до температуры, близкой к температуре плавления. Этот участок характеризуется крупнозернистой структурой. Перегрев, как правило, снижает механические качества металла (пластичность, вязкость). Перегрев стали может вызвать образование крупнозернистой игольчатой структуры с низкими механическими показателями. Это явление характерно для сталей с большим содержанием углерода. Участок перегрева особенно опасен для сталей, склонных к образованию закалочных структур.

Участок нормализации 3 включает металл, нагреваемый до температуры более 900°С. При нагреве и охлаждении металла на этом участке происходит перекристаллизация и значительное измельчение зерна. Металл участка приобретает высокие механические качества.

Участок неполной перекристаллизации 4 включает металл, нагреваемый до температуры выше 725 °С. Металл участка состоит из крупных зерен, не прошедших перекристаллизацию и скопления мелких зерен, прошедших перекристаллизацию. Это объясняется тем, что теплоты, полученной металлом, недостаточно для его полной перекристаллизации. Механические качества металла участка в связи с такой смешанной структурой невысокие.

Участок рекристаллизации 5 включает металл, нагреваемый выше температуры 500 °С. На этом участке структурные изменения в металле не происходят, если только он перед сваркой не подвергался обработке давлением. Если же металл перед сваркой подвергался пластическим деформациям, то на этом участке наблюдается восстановление прежней формы и размеров зерен металла, разрушенных при обработке давлением.

Участок синеломкости 6 по структуре металла не отличается от основного. Однако металл участка имеет несколько пониженные пластичность и вязкость, а также большую склонность к образованию трещин.

Ширина зоны термического влияния зависит от вида, способа и режима сварки – при ручной дуговой сварке она равна 2,5-6 мм, при механизированной сварке под флюсом – 2,5-4 мм, при сварке в защитных газах – 1-2,5 мм.

На механические свойства низкоуглеродистой стали сварка оказывает незначительное влияние. При сварке же конструкционных сталей в зоне термического влияния могут происходить структурные изменения, снижающие механические показатели сварного соединения. При этом в металле шва образуются закалочные структуры и даже трещины.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. В чем заключаются особенности металлургии сварки? 2. Какие вещества растворяются в жидклм железе? 3. Какие способы применяют для борьбы с загрязнениями и в чем их сущность? 4. В чем сущность процесса кристаллизации шва? 5. Назовите участки зоны термического влияния в сварном соединении. 6. Как влияет скорость охлаждения на качество металла шва?

СВАРОЧНАЯ ПРОВОЛОКА И ЭЛЕКТРОДЫ

СВАРОЧНАЯ ПРОВОЛОКА

Для заполнения разделки шва в зону дуги вводят присадочный металл в виде прутка или проволоки. При ручной дуговой сварке применяют плавящиеся электроды в виде прутков или стержней с покрытием. При механизированной сварке используют электрод в виде проволоки, намотанной на кассету.

Изготовляют стальную холоднотянутую проволоку круглого сечения диаметрами 0,3; 0,5; 0,8; 1,0; 1,2; 1,4; 1,6; 2,0; 2,5; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0; 8,0; 10,0 и 12,0 мм и поставляют в мотках (бухтах) из одного отреза. Проволока первых семи диаметров предназначена в основном для полуавтоматической и автоматической сварок в защитном газе. Для автоматической и полуавтоматической сварок под флюсом применяют проволоку диаметром 2-6 мм. Проволока диаметром 1,6-12,0 мм идет на изготовление стержней электродов. Поверхность проволоки должна быть гладкой, чистой, без окалины, ржавчины, грязи и масла.

По химическому составу стальная проволока делится на три основные группы:

– углеродистая (6 марок) с содержанием углерода не более 0,12 %, предназначена для сварки низкоуглеродистых, среднеуглеродистых и некоторых низколегированных сталей;

– легированная (30 марок) для сварки низколегированных, конструкционных, теплостойких сталей;

– высоколегированная (41 марка) для сварки хромистых, хромоникелевых, нержавеющих и других специальных легированных сталей.

Проволока маркируется индексом Св (сварочная), буквами и цифрами. Обозначения легирующих примесей следующие: Г – марганец, С – кремний, Х – хром, Н – никель, М – молибден, В – вольфрам, Ф – ванадий и др. Первые две цифры указывают содержание углерода в сотых долях процента, а цифры после буквы, указывающей легирующие примеси, – количество данного элемента в процентах. Отсутствие цифры после буквенного обозначения легирующего элемента означает, что этого элемента в материале проволоки менее одного процента. Буква А в конце марки указывает на пониженное содержание вредных примесей (серы и фосфора). Например, сварочная проволока марки Св-08ХГ2С содержит 0,08 % углерода, до 1 % хрома, до 2 % марганца и до 1 % кремния.

Содержание углерода в сварочной проволоке не превышает 0,12-0,15%, что снижает склонность металла шва к газовой пористости и образованию твердых закалочных структур. Содержание кремния в углеродистой проволоке составляет менее 0,03 %, так как наличие кремния способствует образованию при сварке пор в металле шва.

Допустимое содержание серы и фосфора также ограничено (0,04 % каждого элемента), так как они даже при малой концентрации способствуют образованию трещин в сварном шве.

Медь и ее сплавы сваривают проволокой и прутками из меди и сплавов на медной основе. Алюминий и алюминиевые сплавы сваривают сварочной проволокой из алюминия и его сплавов. Для сварки других металлов и сплавов применяют сварочную проволоку или стержни, изготовленные либо по ГОСТу на свариваемый металл, либо по техническим условиям.

Вместо дорогостоящей легированной сварочной проволоки применяется порошковая электродная проволока. Она состоит из металлической оболочки и сердечника. Металлическая оболочка служит для подвода сварочного тока и удержания порошкового сердечника. Сердечник представляет собой смесь порошков минералов, руд, ферросплавов и металлических порошков. Участвуя в металлургическом процессе при сварке, смесь обеспечивает защиту металла сварочной ванны от кислорода и азота воздуха, раскисление и легирование металла шва, образование легко удаляемого шлака и получение высококачественного шва. Сварку порошковой проволокой производят открытой дугой, под флюсом или в защитных газах.

Для получений более широкого слоя наплавленного металла и увеличения производительности наплавки вместо порошковой проволоки применяется порошковая лента. Она сворачивается в рулоны, применяется для наплавки автоматами, снабженными специальными устройствами для подачи ленточных электродов.

Широкое применение получили проволоки, не требующие при сварке дополнительной защиты (самозащитные), и проволоки, используемые с газовой защитой зоны сварки (газозащитные). Благодаря высокой производительности и низкой чувствительности к внешним условиям сварка порошковой проволокой получает большое применение при изготовлении и монтаже строительных конструкций на строительно-монтажной площадке. Наибольшее применение получили проволоки малого диаметра (1,6-2,4 мм) марок ПП-АН1, ПП-АНЗ, ПП-АН7, ПН-АНН, ПП-1.ДСК, ПП-2ДСК и др. Они позволяют получить сварные швы с высокими механическими свойствами.

Разработан и успешно применяется способ сварки самозащитной проволокой, т. е. сплошной легированной проволокой без защитной среды (открытой дугой). Металл специальных электродных проволок, применяемых для этого способа, содержит раскисляющие и стабилизирующие элементы. При сварке происходит компенсация выгорания марганца и кремния за счет повышенного содержания их в металле проволоки. Имеющиеся в электродной проволоке алюминий, титан, цирконий и церий обеспечивают хорошее раскисление сварочной ванны, образуя соединение, переходящее в шлак. Кроме того, эти элементы связывают азот, нейтрализуя его вредное действие на пластичность и вязкость металла. Введение церия и циркония повышает ударную вязкость и пластичность металла шва. Они также способствуют устойчивости процесса сварки и уменьшению разбрызгивания металла. Этим способом можно производить сварку в углекислом газе постоянным током прямой полярности, что позволяет значительно повысить коэффициент наплавки и производительности сварки. Для этого способа применяют проволоки марок Св-20ГСТЮА и Св-15ГСТЮЦА.