Вопрос 27

Особенности металлургии сварки.

Металлургические процессы при сварке характеризуются сосредоточенной на маленьком участке металла большой температурой, высокой скоростью кристаллизации расплавленного металла сварочной ванны и небольшим его объемом, а также сложными физическими и химическими явлениями, протекающими при переходе расплавленного металла электродного стержня в сварочную ванную и взаимодействием его и металла сварочной ванны с окружающей газовой средой, шлаками расплавленных покрытий и основным металлом.

В отличие от обычного металлургического процесса протекающие в сварочной ванне химические реакции не достигают равновесия, что обусловливается небольшим объемом расплавленного металла в сварочной ванне и кратковременным его пребыванием в жидком состоянии. Во время расплавления металла при сварке происходит окисление и восстановление различных элементов и легирование сварного шва, а также диссоциация газов. Металлургические процессы, происходящие при сварке плавлением, должны обеспечивать получение наплавленного металла с определенным химическим составом, требуемыми механическими свойствами и с необходимой макро- и микроструктурой.

Сварочная ванна образуется за счет плавления присадочного и основного металлов. Под сварочной ванной (или зоной плавления) необходимо подразумевать собственно ванну жидкого металла, капли, образующиеся на конце присадочного материала, и капли, находящиеся в пути в дуговом или шлаковом промежутке. Кристаллизация жидкого металла в сварочной ванне начинается с неполностью оплавленных зерен основного металла. После кристаллизации металла шва на участках расплавления основного металла образуются зерна, состоящие из основного металла и металла шва и обеспечивающие в сварном соединении непрерывную металлическую связь «основной металл – шов - основной металл». При движении источника теплоты вдоль свариваемых кромок в передней части сварочной ванны происходит процесс плавления, а в хвостовой части - процесс кристаллизации. Длина сварочной ванны зависит от теплофизических свойств свариваемого материала, тепловой мощности сварочной дуги и режимов сварки.

Жидкий металл в сварочной ванне в результате перемещения источника теплоты находится в непрерывном движении и перемешивании, жидкий металл из сварочной ванны всегда вытесняется в направлении, противоположном движению источника теплоты, и в месте вытеснения образуется углубление, называемое кратером.

Исходная концентрация любого элемента в сварном шве складывается из долей участия основного металла, присадочного материала и защитного покрытия.

Вопрос 29

Состав и свойства св. шлаков.

При дуговой сварке одновременно с расплавлением электродного и основного металла образуется жидкая фаза неметаллического характера — шлак. Источники его образования — покрытие электродов или флюсы, плавящиеся при сварке, а также непосредственное окисление металла кислородом в результате реакции взаимодействия в самом металле.

Шлаки при сварке стали могут иметь различный химический состав, определяемый составом покрытия или флюса, а также условиями сварки. Обычно шлаки состоят из окислов (Si02, ТЮ2, P2Os> СаО, МпО, FeO, BaO, MgO, NiOи др.) и солей различных кислот (CaS, MnS, CaF2и т. п ).

Окислы Si02, Ti02 и Р205 — кислотные, остальные окислы имеют основный характер. Все шлаки в зависимости от соотношения в их составе кислых и основных окислов делят на кислые и основные.

Отношение массы всех кислых окислов данного шлака к массе всех основных окислов (в грамм-молекулах) * называют степенью кислотности шлака. У кислых шлаков степень кислотности больше единицы, основных — меньше единицы. Степень кислотности определяет физические свойства шлака и механизм взаимодействия между шлаком и металлом.

Шлак, окружающий капли электродного металла при переносе их через дуговой промежуток, и шлаковый покров на сварочной ванне улучшают свойства наплавленного металла: защищают металл от действия воздуха; химическое взаимодействие между металлом и шлаком раскисляет и легирует металл шва, в шлаке растворяются вредные соединения; увеличивает запас тепла в наплавленном металле и замедляет его охлаждение.

При наличии в составе шлака стабилизирующих компонентов улучшается устойчивость горения дуги. К шлакам предъявляют следующие основные требования:

температура плавления шлака должна быть несколько ниже температуры плавления металла; применение тугоплавких шлаков затрудняет правильное формирование шва и способствует возникновению в нем шлаковых включений; FeO значительно понижает температуру плавления шлака; MgO в тех небольших количествах, в каких обычно бывает в шлаках, также понижает температуру их плавления;

плотность шлака в жидком состоянии должна быть ниже плотности расплавленного металла, что обеспечивае всплывание шлака в верхнюю часть сварочной ванны;

шлак должен обладать хорошей жидкотекучестью, т. е. незначительной вязкостью; чем меньше вязкость шлака, тем выше его активность, тем быстрее протекают в нем химические реакции и процессы растворения, тем легче выделяются из металла газы; с увеличением кислотности шлака увеличивается его вязкость; при избытке Si02 шлак становится густым; для разжижения основных шлаков применяют плавиковый шпат CaF2;

шлак должен хорошо растворять различные соединения; количество вредных примесей в шлаке должно быть минимальным;

в твердом состоянии шлак должен легко отделяться от наплавленного металла.

РАСКИСЛЕНИЕ МЕТАЛЛА ШВА.

Существенно отличающиеся друг от друга процессы осаждающего раскисления и легирования металла рассмотрены совместно, так как в большом числе случаев они тесно связаны между собой, производятся одновременно и часто с помощью одних и тех же средств.

Несмотря на то, что при выборе компонентов флюса предусматривается известная специализация их по назначению, очень часто в металлургических процессах сварки один и тот же компонент выступает и как раскислитель, и как легирующий (С, Si, Mn, Al, Ti и др.). Если в реакционную сварочную зону вводить тем или иным путем химически активный элемент, постепенно увеличивая его концентрацию, то вначале (при малых концентрациях) он будет раскислителем, почти полностью будет связываться шлаком и лишь в малых количествах — переходить в металл шва. С ростом концентрации, все большая часть активного элемента остается неокисленной, растворяется в расплавленном металле и легирует его. Это может быть хорошо проиллюстрировано следующим экспериментом. В однокомпонентный флюс, состоящий из плавикового шпата, добавляли различное количество (0—10%) металлического Мп. После замешивания флюса на жидком стекле, грануляции, сушки и прокалки небольшая часть Мп окислялась, что было установлено при химическом анализе и учтено. Под каждым флюсом проволокой Св-0,8, содержащей 0,37% Мп, наплавляли 4-слойные валики. Из верхнего слоя отбирали стружку для химического анализа металла шва.

В зависимости от свойств легирующего элемента и состава флюса положение, размеры и наклон участков ab могут существенно изменяться. Более сильные раскислители обычно имеют большую протяженность участка раскисления ab и меньше угол наклона участка кривой be.