Конспект лекций_Соединения элементов МК

Рост таких кристаллов способствует лучшему выделению неметаллических включе-

ний, как бы выталкиваемых при этом на поверхность. Каждый столбчатый кристалл со-

стоит из группы одинаково ориентированных дендритов, растущих от соответствующе-

го центра роста кристаллизации кристаллов.

В соответствии с теорией периодической кристаллизации (школа акад. Н.Т.Гудцова)

кристаллы растут с некоторыми остановками, т.е. слоями или волнами. Прерывистость процесса кристаллизации является причиной слоистости шва и мелкочашуйчатости по-

верхности его (рис.3.6). На неравномерность распределения элементов, химических со-

единений и других составляющих в металле - ликвацию - влияет коэффициент формы

B

ванны – H .

Рис.З.6. Схема столбчатого и слоистого строения металла.

В узких швах ( 2) зоны ликвации находятся в центре, поэтому они могут быть сильно ослаблены. В широких швах ( 2) условия кристаллизации лучше, зона лик-

вации находится вверху, что не отражается на прочности шва.

При дальнейшем охлаждении наплавленного металла в твердой фазе происходят процессы вторичной кристаллизации, и металл приобретает вторичную структуру.

Структуру сварных соединений изучают на поперечных и продольных шлифах ме-

таллографическими исследованиями, включающими исследование макро- и микро-

структуры.

При исследовании макроструктуры определяют характер кристаллизации, контуры провара, зону термического влияния, ликвацию, неоднородность структуры и дефекты металла сварного соединения.

При исследовании микроструктуры определяют расположение кристаллов, характер фазовых структурных превращений, особенности отдельных структурных составляю-

щих, наличие включений и трещин и т.д.

Исследования микроструктуры сварного шва малоуглеродистой стали, выполненно-

го электродами с покрытием или под флюсом, показывают, что металл шва имеет мел-

39

козернистую структуру и равномерное распределение зерен феррита (Fe3, C≤0, 07%) и

перлита(Fe3C + Fe), свидетельствующее о замедленном охлаждении шва под слоем шла-

ка. В шве отсутствуют кислородные включения и нитриды. В сварных швах стали с по-

вышенным содержанием углерода наблюдается увеличение количества перлита и рост зерен, что связано с увеличением содержания углерода. Такие стали чувствительны к перегреву и закалке, в них имеются участки перегрева с крупными кристаллами – вид-

манштеттова структура. При перегреве снижаются пластичность и вязкость стали, ввиду чего стремятся не допустить перегрева или делают последующую термическую обра-

ботку.

Сварное соединение разделяется на три основные зоны с различным микрострукту-

рами: А - зона наплавленного металла; Б - зона термического влияния; В - зона основно-

го металла.

На рис.3.7 схематически изображен сварной шов, а над ним в том же масштабе про-

ведена кривая распределения максимальных температур. Рядом в том же масштабе - ле-

вая часть диаграммы состояния Fe—С, где прямой I- I показан состав свариваемого ме-

талла по углероду.

Рис. 3.7. Структура сварного соединения

А– металл шва; Б – Зона термического влияния (ЗТВ);

1– участок сплавления (неполного расплавления металла); 2 – участок перегрева; 3 – участок нормализации; 4 – участок неполной перекристаллизации; 5 – участок рекристаллизации;

6 – участок синеломкости

Зоной термического влияния называют прилегающий к шву участок основного ме-

талла, в котором произошли структурные фазовые изменения вследствие нагрева. Она состоит из следующих характерных участков (глубина ее 2-6 мм): 1 - неполного рас-

плавления; 2 - перегрева; 3 - нормализации; 4 - неполной перекристаллизации;5 - рекри-

40

сталлизации; б - синеломкости.

Рассмотрим структуру этих участков.

Участок неполного расплавления 1 - в виде тонкой переходной полоски от металла шва (0,1-0,4мм) к основному металлу имеет температуры - от Т плавления до ~14300С.

Имеет жидкую и твердую фазы, что способствует развитию крупного зерна; структура феррито-перлитная (феррит вокруг перлита).

Участок перегрева 2 лежит в интервале температур 1430-11000С, способствующих росту зерна, характеризуется крупнозернистостью. Феррит окружает укрупнённые пер-

литные зерна своеобразной каймой. В малоуглеродистой стали этот участок может от-

сутствовать. С повышением содержания С и легирующих элементов может образоваться видманштеттова структура. Участок перегрева имеет пониженные механические свой-

ства (σт, σв, δ), поэтому влияет на качество соединения.

Участок нормализации 3 лежит в областях металла с температурами от 1100°С до ТАС3(~800°). Здесь зерно аустенита не успевает вырасти ввиду малого времени действия таких температур. Последующая перекристаллизация при охлаждении металла дает мелкую равноосную структуру. Этот участок имеет самые высокие механические свой-

ства.

Участок неполной перекристаллизации 4 наблюдается в области нагрева до темпера-

тур 880-720°С (ТАС1- ТАС3). Конечная структура металла на этом участке будет состоять из крупных зерен феррита, не прошедших перекристаллизацию, и расположенных во-

круг них колоний мелких зерен феррита и перлита, образовавшихся в результате пере-

кристаллизации. Механические свойства этого участка хуже предыдущего.

Участок рекристаллизации 5 находится в области нагрева от 720 до 500°С. Структу-

ру этого участка составляют равноосные зерна феррита и перлита. Если свариваемая сталь не подвергалась пластической деформации, то на этом участке никаких структур-

ных изменений не будет.

Участок синеломкости 6 нагревается до температур 500-200°С. Он характеризуется снижением пластических свойств без видимых изменений структуры. Явление синелом-

кости объясняют выделением из твердого раствора Fe субмикроскопических частиц различных примесей, располагающихся по границам зерен. Резких границ между участ-

ками зоны термического влияния не существует. Протяженность отдельных участков, а

значит и зоны термического влияния, имеет большое значение для оценки качества сварного соединения. Чем меньше эта зона, тем выше качество соединения.

41

3.4. Шлаковые и газовые включения в сварных швах

Состав шлаковых включений зависит в основном от применяемых электродов и флюсов.

При сварке сталей включения возникают от застревания частиц кварца SiO2 и корунда

Al2O3, присутствующих в покрытиях и флюсах. Эти включения, взаимодействуя с окис-

лами (MnO, FeO и др.), образуют и более сложные легкоплавкие включения диаметром от нескольких микрон до десятков микрон. Шлаковые включения имеют следующий ха-

рактер (рис.3.8). При сварке в металле возникает в довольно большом количестве сер-

ные включения в виде сульфида железа FeS, повышающего склонность металла шва к появлению трещин при высоких температурах.

Одной из форм неметаллических включений в металле шва являются нитриды, в ос-

новном нитриды железа, обладающие высокой твердостью и снижающие пластические свойства метала шва.

Рис.3.8. Характер шлаковых включений.

Величина и количество шлаковых включений зависят от скорости всплытия частиц,

их способности к коагуляции (укрупнение частиц под действием молекулярных сил сцепления), их вязкости, плотности и от механического воздействия на жидкий металл.

Посторонние включения в металле отрицательно влияют на свойства металла, делая его неоднородным, способствуют коррозии.

Для предупреждения появления шлака в наплавленном металле принимают такие меры :

-удаление загрязнений, ржавчины, окалины с кромок свариваемых деталей; -промежуточную зачистку швов от шлака при многослойной сварке;

-замедление остывания металла (режим сварки, шлак), введение в состав покрытий

ифлюсов веществ, понижающих температуру плавления шлаков и позволяющих обра-

зовывать легко удаляемые из металла соединения.

Появление в сварных соединениях пустот и газовой пористости – результат выделе-

ния газов из металла.

Газовые поры возникают как в металле шва, так и в зоне взаимной кристаллизации,

они имеют различную форму - шарообразную, вытянутую, скопление большого числа разнообразных пор (рис. 3.9). Газы в наплавленном металле могут быть в следующих

42

состояниях: механически включенные (поры и пузыри), в растворе в виде химических соединений (FeO, Fe4N и др.), непосредственно растворенные (H2, CO2 и др.).

Рис.3.9. Внутренние и наружные поры (свищи) при сварке

Главные причины образования пор в металле шва:

- интенсивное выделение газов при кристаллизации металла шва; -наличие влаги в присадочных материалах и окислов на кромках деталей; -недостаточная раскисленность;

-относительно высокая концентрация закиси FeO в металле шва (FeO + С = Fe + СО);

СО – пузыри; -наличие в стали значительного количества водорода;

-наличие повышенного давления над поверхностью ванны (уменьшается скорость всплытия пузырей).

Газовые поры и пузыри понижают механические свойства металла шва, создают концентрацию напряжений, повышая склонность к хрупким разрушениям. Более вред-

ными являются крупные поры. Остающиеся в металле газы повышают его хрупкость,

твердость и понижают пластичность.

4. Сварочные материалы

Сварочные материалы для сварных соединений должны соответствовать требованиям п. 1.12.1 и принимаются по приложениям В и Ж табл. Ж.1 ДБН В.2.6-163:2010. Сталеві конструкції. Норми проектування, виготовлення і монтажу, в зависимости от группы конструкций и класса прочности стали.

4.1. Электродная проволока

Для подвода тока и заполнения шва при сварке плавящимся электродом применяют электродные металлические стержни или проволоку.

Сварочная стальная проволока используется при автоматической и механизирован-

ной дуговой и электрошлаковой сварке, для изготовления стержней электродов и приса-

дочных прутков при ручной дуговой сварке, газовой и всех способах сварки неплавя-

щимся электродом в среде защитных газов.

По ГОСТ 2246 изготовляют углеродистую (6 марок), легированную (30 марок) и вы-

43

соколегированную (39 марок) стальную проволоку различных марок, диаметром 0,3; 0,5;0,8; 1,0; 1,2; 1,6; 2; 2,5; 3; 4; 5; 6; 8; 10 и 12 мм.

Сварочную проволоку обозначают буквами «Св» и последующими цифрами и бук-

вами в зависимости от химического состава.

Пример химического состава сварочной проволоки приведен в таблице 4.1 (в %).

Таблица 4.1.

Марка	С	Mn	Si	Cr		Ni	Mo	Ti	S		P		Прочие
проволоки	не более					Не более
			Углеродистая проволока
Св-08	0,1	0,35-0,6	0,03	0,15		0,3	-	-	0,04		0,04		-
Св-08А	0,1	– // –	– // –	0,10		0,25	-	-	0,03		0,03		-
Св-08ГА	0,1	0,8-1,1	– // –	– //	–	– // –			– //	–	– //	–
Св-10Г2	0,12	1,5-1,9	– // –	0,2		0,3			0,04		0,04
			Легированная проволока
Св-08ГС	0,1	1,4-1,7	0,6-	0,2		0,25			0,03		0,03		Al-0,05
			0,85
Св-08Г2С	0,11	1,8-2,1	0,7-	– //	–	– // –			0,03		0,03		Al-0,05
			0,95
Св-12ГС	0,14	0,8-1,1	0,6-	– //	–	0,3			– //	–	– //	–
			0,9
Св-10ХГ2С	0,06-0,12	1,7-2,1	0,7-	0,7-1		0,25			– //	–	– //	–
			0,95

Стальную сварочную проволоку выпускают в мотках весом 2-40кг, в катушках (для сварочных автоматов) весом 5-80кг (соотв. d =0,3÷1,6 – 2÷5мм) или в кассетах. Поверх-

ность проволоки должна быть без окалины, ржавчины, грязи и масла. Из таких же ста-

лей выпускают наплавочную стальную проволоку диаметром d=0,3÷8мм; обозначают

«Нn», используют только для наплавочных работ.

Для сварки алюминия и его сплавов применяется сварочная проволока из Аl и его сплавов, изготовляемая по ГОСТ 7871-75 различных марок, диаметром d=0,8÷12мм;

обозначают СвА (табл. 4.2).

Выпускают СвА в мотках весом 1,5-40кг с консервирующей смазкой, во влагонепро-

ницаемой упаковке.

По требованию потребителя при d 4мм проволока может поставляться в химически чистом виде и герметизированной упаковке.

44

Таблица 4.2. – Примеры химического состава сварочной проволоки из алюминия и

алюминиевых сплавов, %

	Марка	Al	Mg	Mn	Si	Fe	Ti	Be	Прочие	Всего	Примеси
										примесей	не более
	СвА1	99,5	–	–	0,1-0,25	–	–	–	0,05	0,5	Cu-0.015
	СвАК5	– // –	–	–	4,5-6	–	0,1-0,2	–	0,1	1,0	Fe-0.6;
											Zn+Sn-Cu 0.2
											Fe-0.4;
	СвМг5	– // –	4,8-5,80,5-0,8		–	–	0,1-0,2	0,002-	0,1	1,4	Si-0.4;
								0,005			Zn-0.2;
											Cu-0.05
											Fe-0.4;
	СвАМг6	– // –	5,8-6,80,5-0,8		–	–	0,1-0,2	0,002-	0,1	1,2	Si-0.4;
								0,005			Zn-0.2;
											Cu-0.1
											Fe-0.04;
											Si-0.04;
	СвА85Т	– // –	–	–	–	–	0,2-0,5	–	–	0,08	Zn-0.02;
											Cu-0.01;
											Mg-0.01
											Zn-0.1;
	СвАМц	– // –	–	1-1,5	0,2-0,4	0,3-0,5	–	–	–	–	Cu-0.2;
											Mg-0.05

45

4.2. Стальные сварочные электроды

Классификация. Для дуговой сварки применяют стальные, вольфрамовые, угольные и графитовые электроды. Наиболее распространены стальные электроды (рис. 4.1.) с по-

крытием. Стальные электроды плавящиеся, остальные – неплавящиеся.

Рис. 4.1. Электрод для ручной сварки

Для сварки углеродистых и низколегированных конструкционных сталей применяют электроды по ГОСТ 9467, а существует 5 классов. ГОСТ 9466-75 устанавливает класси-

фикацию, размеры и общие технические условия на покрытые металлические электроды для дуговой сварки и наплавки.

Согласно ГОСТ 9467 электроды по назначению подразделяются:

- для сварки углеродистых и низколегированных конструкционных сталей с времен-

ным сопротивлением разрыву (σв) до 600 МПа (условно обозначается У); - для сварки легированных конструкционных сталей с временным сопротивлением

разрыву (σв) свыше 600 МПа (условно обозначается Л);

-для сварки легированных теплоустойчивых сталей ( Т );

-для сварки высоколегированных сталей с особыми свойствами ( В );

-для наплавки поверхностных слоев с особыми свойствами ( Н ).

В каждом классе объединено несколько типов электродов.

Типы электродов имеют свое обозначение - Э42, Э42А, Э50 и т.д., где цифры харак-

теризуют гарантированное минимальное σв в кгс/мм2 , а А-повышенные пластические свойства и вязкость наплавленного ими металла.

Например:

а) Э38, Э42, Э42А, Э46, Э46А - для сварки малоуглеродистых сталей:

Э42 – δ =18; а=8; =150° :

Э42А δ =22; а=15; =180°. |

б) для сварки низколегированных сталей - Э50, Э50А, Э55;

в) для сварки легированных сталей повышенной прочности: Э60, Э70, Э85, Э100,

Э125, Э150.

46

Электроды всех типов различают также по следующим признакам:

1) технологическим особенностям сварки (положение при сварке; глубина проплав-

ления);

2)толщина покрытия (тонкое, толстое);

3)характеру образующихся при расплавлении шлаков;

4)роду применяемого тока и полярности.

Стандартные размеры электродов и общие технические требования к ним установле-

ны ГОСТ-9466.

d, мм	1,6; 2	2,5; 3	4	5;6;8;10;12
l, мм	225;250	350	400;450	450

Размеры электродов выбраны таким образом, чтобы не допустить чрезмерного пере-

грева (закон Джоуля-Ленца: электрод будет быстро плавиться или преждевременно сго-

рают органические компоненты покрытия). Учтено также, что при длинном электроде меньше времени идет на его смену, но очень длинными электродами сварщику неудоб-

но манипулировать.

При особой необходимости ГОСТом допускается изготовление электродов нестан-

дартной длины (например, для обучения сварщиков).

Требования к электродам и характеристики электродов. Электроды должны удовле-

творять следующим основным требованиям:

1) обеспечивать определенные механические свойства наплавленного металла и со-

единения и химсостава шва;

2)обладать хорошими технологическими и сварочными свойствами, обеспечивая:

а) легкое зажигание и устойчивое горение дуги;

б) равномерное плавление покрытия без откалывания и образования больших ко-

зырьков;

в) равномерное покрытие металла шва шлаком и легкое удаление шлака;

г) получение металла шва без пор и трещин;

3)обеспечивать высокую производительность и допускать сварку на повышенном токе;

4)невысокая себестоимость электродов.

Выполнение требований обеспечивают подбором электродной проволоки опреде-

ленного химсостава и покрытия. Важными характеристиками электродов являются ко-

эффициенты расплавления αр, наплавки αн и потерь ψ, определяемые по формулам:

	р		qp	,	г	,	н		qн	,	г
			It		А ч				It		А ч

где qp и qн - соответственно вес расплавленного и наплавленного электродного металла в г; I - сварочный ток, А;

t – время, в час.

47

Обычно αр < αн, т.к. часть расплавленного электродного металла теряется на окисле-

ние, испарение, разбрызгивание. Коэффициент αн характеризует удельную производи-

тельность наплавки или сварки. Чем больше αн, тем больше производительность сварки.

Величина αн колеблется для электродов разных марок от 7 до 15 г , при автоматиче-

А ч

ской сварке αн =12-22 г .

А ч

При наличии в электродном покрытии железного порошка или окислов железа qH и

αн - могут оказаться больше qp , αр за счет перехода железа в шов из покрытия.

Коэффициент потерь φ характеризует потери электродного металла на окисление,

испарение, разбрызгивание

1

(qp qн ) qp 100%

Величина φ колеблется: при ручной сварке от 3 до 40%; при автоматической – от 1,5

до 2%.

4.3. Электродные покрытия

Назначение покрытий. Электродные покрытия выполняют стабилизирующие и защит-

ные функции. Различают тонкие или стабилизирующие покрытия и толстые или качест-

венные.

Тонкие покрытия, толщиной 0,1-0,3мм, состоящие из стабилизирующего материала

(минералы, содержащие К и Nа), применяют для повышения устойчивости горения ду-

ги. Сейчас такие покрытия для электродов не применяют. Толстые покрытия, образо-

ванные из тонкоразмолотых и тщательно перемешанных на жидком стекле материалов наносят на стержни под давлением слоем 0,5-3мм.

Вещества, входящие в состав защитных покрытий, выполняют следующие функции:

а) обеспечивают устойчивое стабильное горение дуги, усиливая ионизацию дугового пространства (стабилизаторы - поташ, калиевая селитра, мел и силикат калия);

б) предохраняют расплавленный металл от вредного воздействия воздуха;

в) раскисляют и легируют металл шва, обеспечивая получение качественного на-

плавленного металла с заданными механическими свойствами и химсоставом;

г) улучшают металлургический процесс: это фториды (плавиковый шпат CaF2) и

двуокись кремния (речной песок).

Пример обозначения электродов в документации – электроды УОНИ-13/45 - 40 -

ГОСТ 9466, а на этикетке или в маркировке коробок, пачек, ящиков:

48