Технологія зварювання(2, 3 к) (1)

11

вольтах), яку необхідно затратити для порушення атома або молекули газу, називається потенціалом збудження.

Рисунок 6 – Схема електричної дуги.

Кінетичної енергією називається здатність рухомого тіла виконувати роботу.

Згідно квантової теорії енергія випромінювання поширюється не безперервно, а окремими порціями – квантами енергії. Електрон-вольт дорівнює енергії, запасенної електроном, пройшовшим різницю потенціалів.

При витраті деякої кількості енергії відбувається повний відрив електрона від атома газу. Такий атом перетворюється в позитивний іон. Кількість енергії (виражене в електрон-вольтах), який необхідно витратити для повного відрива одного електрона з атома газу, називається потенціалом іонізації.

Чим нижче значення потенціалу іонізації, тим краще умови для стійкого горіння електричної дуги.

Електричну дугу можна поділити на наступні частини (рис. 5). Катодна область 1, що є джерелом електронів. Електрони, які виділилися з поверхні катода, прискорюються сильним електричним полем і віддаляються від катода по напрямку анода.

Одночасно під дією електричного поля до катода направляються позитивні іони. Поверхня електрода, з якого виділяються електрони, називається катодною плямою.

Анодна область 3, розташована у позитивного електрода (анода).

Стовп дуги 2, який майже дорівнює довжині дуги. У стовпі дуги знаходяться електрони, позитивні і негативні іони і нейтральні атоми. Енергія, необхідна для підтримки стовпа дуги, передається через електричне поле від джерела живлення. Електричний струм у стовпі дуги є майже повністю електронним струмом.

Для горіння дуги на електродах має підтримуватися напруга, величина якого залежить від матеріалу електродів, довжини дуги, роду газу, в якому горить дуга, а також від величини струму в дузі.

Для стійкого горіння дуги струм і напруга дуги повинні перебувати в певній залежності.

12

Рисунок 7 – Статична характеристика дуги

Залежність напруги і струму в дузі при постійному дуговому проміжку в графічному зображенні представлена на рис.7. Ця крива називається статичною вольтамперної характеристикою дуги. Із збільшенням струму в дузі до 100 А напруга зменшується. Це пояснюється тим, що збільшення струму викликає різке збільшення площі перетину стовпа дуги і, отже, його електропровідності. Така форма вольтамперної характеристики дуги називається падаючою або негативною.

При збільшенні струму від 100 до 1000 А напруга не міняється і практично залишається постійною. Це пояснюється тим, що в цих умовах площа перетину стовпа дуги збільшується пропорційно току, так що щільність струму і падіння напруги в усіх ділянках стовпа дуги зберігається постійним. Така крива називається жорсткою вольтамперною характеристикою.

При збільшенні струму в дузі понад 1000 А напруга також збільшується, так як збільшення щільності струму вище визначенного значення вже не може збільшити перетин стовпа дуги, і падіння напруги в дузі різко збільшується. У цьому випадку вольтамперна характеристика має вигляд зростаючої кривої (позитивної). Зростаючу характеристику має дуга при зварюванні електродами малого діаметра (менше 3 мм) в середовищі захисних газів, а також при автоматичному зварюванні під флюсом великими струмами.

Електричну дугу умовно можна уявити як газовий провідник великої гнучкості, який під впливом різних сил, що діють на нього, може відхилятись від свого нормального положення. У звичайних умовах дуга спрямована по осі електрода, а не по найкоротшій відстані між електродом і зварювальним металом. Навколо дуги і в сусідніх місцях (у зварюванному металі) утворюються магнітні поля, які мають відхилюючу дію на дугу. Це явище відоме під назвою магнітного дуття.

Магнітне дуття дуже часто ускладнює зварювання, особливо при підвищеному струмі, так як величина сил магнітного поля пропорційна квадрату струму, тобто при збільшенні струму в два рази магнітне поле зростає в чотири рази.

Магнітне поле має відхиляючу дію на дугу, коли воно розподіляється нерівномірно щодо дуги. Поділ магнітного поля в зварювальному контурі

13

залежить від місця підведення струму до зварюваного виробу, конфігурації виробу, наявності зазорів в зварюваному стику і від інших причин.

Рисунок 8 – Схема відхилення електричної дуги магнітним полем

Наприклад, на рис. 8 дуга відхиляється вправо, тому що магнітне поле з боку кута А більш інтенсивно, ніж з противоположної сторони.

На відхилення дуги впливає також близькість до зварювальної дуги значних феромагнітних мас. Між дугою і ферромагнітною масою (залізом, сталлю) з'являються електромагнітні сили тяжіння, які прагнуть зблизити стовп дуги і масу, в результаті чого дуга відхиляється убік ферромагнітної маси.

Явище магнітного дуття при товстопокритих електродах і при закритій дузі (під шаром флюсу) проявляється в значно меншій мірі, ніж при голих і тонкопокритих елекродах.

При зварюванні на змінному струмі явище магнітного дуття помітно послаблюється. Магнітний потік, створюваний в зварювальном контурі змінним струмом, індуктує в масі основного металу віхрові струми (струми Фуко), які викликають появу свого перемінного магнітного поля, зрушеного майже на 180 ° по відношенню до зварювального струму.

Результуючий магнітний потік, рівний геометричній сумі магнітних потоків зварювального та вихрових струмів, значно менше магнітного потоку при постійному струмі, а, крім того, він зміщений по фазі щодо зварювального струму, що послаблює електромагнітну силу взаємодії магнітного поля зі струмом. Відхилення дуги може бути також викликано потоком теплих газів, що утворюються при зварюванні. Це явище особливо помітне при зварюванні у вертикальних стінках, заварці наскрізних отворів, зварюванні першого шару стикового шва і т. і.

Для ослаблення відхилюючої дії магнітних полів необхідно:

1.зварювання вести короткою дугою, оскільки із збільшенням довжини дуги збільшується можливість її відхилення;

2.підводити зварювальний струм (приєднувати зворотний провід) якомога ближче до місця зварювання виробу;

3.залежно від сили і напряму магнітного дуття змінювати кут нахилу електрода; кінець електрода направляти в бік магнітного дуття.

14

Зварювальні властивості дуги

Зварювальна дуга (при зварюванні за методом Слав·янова) горить у газовому проміжку, заповненому парами металу електродів, покриття електрода або флюсу. На кінці електрода і на зварюваному металі під електродом знаходиться рідкий розплавлений метал. Електрод плавиться і у вигляді крапель переходить у ванну рідкого металу.

Крапля металу, що утворюється на електроді протягом 0,001 – 0,01 с, нагрівається до високої температури. Відбувається окисленя металу в результаті взаємодії його з киснем повітря. Окисли швидко розчиняються у краплі ще при її находжені на кінці електрода. У середині краплі утворюється окис вуглецю; під дією розширення крапля відривається від електрода і потрапляє в зварювальну ванну.

Рисунок 9 – Схема зварювальної дуги

Крім розширючих газів, на перенесення краплі діють також електричні та інші сили.

У ванні розплавленого металу на зварювальному виробі під дією тиску струменя газів дуги утворюється заглиблення (рис. 9), зване кратером.

Між дном кратера і расплавленою краплею на кінці електрода розміщений стовп електричної дуги. Температура газу в стовпі дуги по його осі досягає (за деякими дослідженнями) 6000 ° С. Стовп оточений полум'ям, або ореолом, який має неправильну форму внаслідок потоків газу і магнітних полів. Температура полум'я різко падає в направлені від центру стовпа до країв.

Зазвичай запалювання дуги проводиться коротким замиканням зварювального ланцюга, шляхом дотику до зварюваного металу кінцем електрода. Запалювання відбувається в момент відриву електрода на невелику відстань від поверхні зварювального металу.

Виділення тепла електричною дугою проводиться на дуже невеликому просторі, безпосередньо під дугою. Якщо разглядати дугу через темне скло, то в місці її утворення на зварюванному металі можна бачити дочиста нагріту поверхність, яка під електродом має поглиблення, заповнене рідким металом.

15

Це поглиблення – кратер оточений металом, нагрітим до кипіння, причому температура області нагрівання, прилеглої до кратера, швидко падає і вже на невеликій відстані, величина якого обумовлена діаметром електрода і струмом, стає рівною температурі зварюванного виробу.

Таким чином, електрична дуга з металевим електродом дає сильний місцевий нагрів зварюванного металу в зоні, безпосередньо навколишнього кратера.

Відстань між кінцем електрода і дном кратера називається довжиною

дуги.

Довжина дуги має дуже велике значення в процесі зварювання і повинна бути не більше 3 – 4 мм. Ця вимога пояснюєтся тим, що розплавлений метал, переходячи краплями з кінця електрода в кратер, поглинає кисень з газового середовища, що погіршує механічні властивості шва. Шкідлива дія повітря буде тим менше, чим менше часу рідкі краплі будуть проходити через повітря. При короткій дузі цей час буде менше, ніж при довгій. Крім того, шов, виконаний довгою дугою при ручному зварюванні, має нерівну поверхню. Довга дуга менш стійка, ніж коротка. Вона блукає по поверхні зварюваного металу, нагріваючи його велику площу. Тепло розсіюється і проплавлення погіршується. Краплі з електрода, падаючи на недостатньо прогріте місце, неповністю сплавляються зі зварюваним металом і розбризкуються. Таким чином, довга дуга знижує продуктивність і якість зварювання.

Продуктивність зварювання залежить від так званої ефективної теплової потужності дуги, тобто кількості тепла, введеного в зварювальний метал дугою в одиницю часу. Ефективна теплова потужність дуги може бути визначена за формулою

q = 0,24 UД IСВη кал / с,

де Uд – напруга дуги;

Icв – струм в дузі;

η – коефіцієнт, що показує відношення ефективної теплової потужності дуги до повної теплової потужності, що виділяється дугою. Величина коефіцієнта залежить від способу зварювання, матеріалу електрода, складу покриття електрода та інших факторів. Під час ручного зварювання товстопокритими сталевими електродами коефіцієнт дорівнює приблизно – 0,75, при зварюванні під флюсом – 0,80 .

Погонною енергією зварювання називається кількість тепла, виділяємого дугою на один сантиметр довжини однопрохідного зварного шва або валика. Погонну енергію можна виразити наступним рівнянням

q / v = 0,24 UД IСВη / v

де v – швидкість просування зварювальної дуги, см / с.

16

Визначення температур точок, різно віддалених від нерухомої дуги, можна визначити за рівнянням:

T = q/2πRλ

де Т – температура в даній точці, град ; q – ефективна потужність дуги, кал / с;

R – відстань від даної точки центру дуги, см;

λ – коефіцієнт теплопровідності металу, що зварюється, кал / см · с · град. Ступінь термічної дії дуги на метал визначается термічним циклом зварювання, тобто характером зміни температури в даній точці металу шва або

близькошовної зони в час в процесі зварювання.

МЕТАЛУРГІЇНІ ОСНОВИ ЗВАРЮВАННЯ

Особливості зварювальної металургії

Металургійні процеси, що відбуваються при плавленні металу зварювальної дугою, протікають в дещо інших умовах, ніж при виробництві сталі в мартенівських, конверторних і електричних печах.

При дуговому зварюванні розплавлений метал твердне протягом декількох секунд. Кількість металу, що знаходиться в рідкому стані, при ручній дуговій зварці не перевищує 8 см3 , при автоматичному зварюванні під флюсом 50 – 100 см3. Джерело тепла і рідка ванна мають температуру значно вище, ніж

всталеплавильних печах.

Врезультаті швидкого охолодження ванни хімічні реакції, які є у рідкому металі і шлаку, не встигають повністю закінчитися. Під дією високої температури зварювальної дуги частина молекул кисню та азоту повітря в зоні дуги розпадається на атоми. У атомарному стані гази значно активніші, ніж у молекулярному стані. Кисень, з’єднуючись з залізом, утворює окис заліза FeO, а також цілий ряд інших окислів. Внаслідок цього вміст кисню в металі шва при зварюванні незахищеною дутою досягає 0,2 – 0,3 %, в той час як в мартенівській сталі вміст кисню не перевищує 0,01 – 0,02 %. Вміст кисню в металі знижує його механічні властивості і особливо ударну в'язкість.

Кількість кисню у звареному шві залежить від довжини дуги, величини струму і захисних засобів (електродних покриттів, флюсів, захисних газів).

При довгій дузі контакт повітря з розплавленим електродним металом збільшується, а тому створюються більш сприятливі умови для насичення рідкого металу киснем.

Із збільшенням зварювального струму збільшується кількість дрібних крапель, які переносяться з електрода в рідку ванну, а це збільшує поверхню дотику кисня з повітрям розплавленим електродним металом.

При дуговому зварюванні покритими електродами утворюється шлаковий і газовий захист розплавленого металу від навколишнього повітря, що значно

17

знижує вміст кисню у звареному шві. Такий же захист від кисню надають флюс і захисні гази при автоматичному і напівавтоматичному зварюваннях.

Вміст азоту в зварному шві при зварюванні незахищеною дугою досягає 0,12 – 0,18 % при вмісті азоту в зварюваному металі мартенівська сталь в межах

0,001 – 0,008 %.

Вміст азоту збільшує межу міцності зварного шва, підвищує твердість, різко знижує ударну в'язкість.

Засоби покращення якості металу шва

Електродне покриття, так само як і флюс при механізованому зварюванні, не тільки виконує роль механічного захисту від повітря рідкого металу при зварюванні, а й частково вилучає кисень з розплавленого металу за допомогою розкислювачів.

Розкисленням металу називається процес відновлення заліза з закису заліза та інших з'єднань за допомогою другого елемента, який має більше хімічне рідство з киснем, ніж залізо, і утворює оксиди, які розчиняющися в залізі в незначних кількостях.

У електродних покриттях як розкислювачі застосовують різні феросплави (сплави різних металів із залізом), наприклад феромарганець, феросиліцій, ферротитан та ін, а також алюміній, вуглець і гази, що виділяються з покриття, – водень, вуглекислий газ.

Окисли, що утворилися при розкисленні рідкої ванни, повинні спливати і змішуватися з рідким шлаком. Для цього щільність окислів повинна бути менше щільності рідкого металу ванни.

Марганець є найбільш часто використовуваним розкислювачем. Розкислення марганцем відбувається за такою хімичною реакціею:

FeO + Mn = МnО + Fe.

У результаті цієї реакції виходить закис марганцю МnО і відновлене залізо Fe. Закис марганцю в більшій своїй частині переходить в шлак. Марганець також зменшує вміст сульфіду заліза в металі за наступною реакції:

FeS + Mn = MnS + Fe

Сульфід марганцю MnS не розчиняється у залізі і спливає в шлак. Сульфід заліза FeS є однією з причин утворення горячих (кристалізаційних) тріщин у зварному шві і у біляшовній зоні.

Температура плавлення сульфіду заліза нижче температури затвердіння сталі. При кристалізації сталі сульфід заліза, перебуваючи в рідкому стані між кристалами, перешкоджає міцному їх з'єднанню, внаслідок чого утворюються тріщини.

При плавленні електродного покриття або флюсу утворюється рідкий шлак, який, маючи меншу щільність, спливає на поверхню рідкої ванни металу

18

і закриває її поверхню. Хімічний склад шлаку робить сильний вплив на якість зварного шва.

Шлаки взаємодіють при контакті з розплавленим металом, виконуючи розкислювальнні функції, захищають його від повітря і забезпечують повільне охолодження ванни.

Крім відповідного хімічного складу, шлак повинен мати і певні фізичні властивості. У процесі плавлення й остивання металу шва виділяються гази, котрі повинні легко проходити через шлак. В іншому випадку при залишенні в металі шва гази утворюють пори. Для того щоб рідкий шлак рівномірно покривав рідкий метал шва, він повинен мати малий поверхневий натяг. Величина поверхневого натягу рідкого шлаку залежить від його хімічного складу.

Зокрема, двоокис титану і плавиковий шпат (фтористий кальцій) знижують поверхневий натяг шлаку. Після охолодження твердий шлак (кірка) повинен легко зчищатися з поверхні шва. Ця властивість шлаку залежить від різниці в величинах коефіцієнтів термічного розширення металу і шлаку.

Залежно від окислів, що входять до складу шлаку, розрізняють кислі і основні шлаки. Кислотність шлаків визначается відношенням вагових кількостей кислих оксидів до основних:

К = (SiO2 + TiO2 ) / ( CaO + FeO + MnO + Na20 )

Якщо К> 1, то шлак вважається кислим, якщо К < 1 – основним. Температура плавлення шлаку повинна бути нижче температури

плавлення зварюваного металу, тому що в іншому випадку шлак не зможе повністю спливти на поверхню рідкої ванни металу та перешкоджатиме видаленню в атмосферу газів, які виділяються з металу.

Компоненти, що входять в електродні покриття, за своїм призначенням можуть бути розбиті на наступні групи:

1)газоутворюючі (крохмаль, деревне борошно, целюлоза та інші органічні речовини) при плавленні утворюють гази, що захищають розплавлений метал від шкідливого впливу повітря;

2)шлакоутворювальні (польовий шпат, марганцева руда, титановий концентрат, ільменіт, крейда, мармур , каолін, граніт та ін);

3)розкислюючі (феросплави, алюміній, графіт та ін);

4)легуючі (головним чином феросплави; феромарганець, феросиліцій, феромолібден, феротитан, ферохром та ін) вводяться в деякі покриття і флюси з метою змінити фізичні і механічні властивості металу шва, наприклад, надати йому велику стійкість проти корозії, підвищену опірність стирання і т. д.

Структура шва і біляшовної зони

Зварний шов утворюється за рахунок плавлення і спільної кристаллізаціі основного і електродного металів.

19

У міру просування дуги температура рідкої ванни падає внаслідок тепловідведення в зварюваний метал і випромінювання в навколишнє середовище. Метал ванни починає кристалізуватися.

Кристали починають утворюватися біля межі нерозплавленого основного металу, що має порівняно низьку температуру.

Окремі кристали ростуть неоднаково, так як умови зростання їх різні: одні ростуть швидко, інші повільніше. Кристали можуть знаходится в зварювальній ванні, неметалеві шлакові включення, які ростуть на поверхні зварного шва. Цим пояснюється, чому при стельовом зварюванні шлак не спливає нагору, тобто до кореня шва, а з’являється на поверхні шва.

Рівномірна кристалізація ванни порушується повторними розплавленнями. У цьому випадку можуть утворитися «мішки» рідкого металу, в яких затримуються кристали. У таких місцях можливі шлакові включення. Структура шва, правильна кристалізація металу ванни залежить в деякій мірі від форми шва. При вузьких швах, в яких відношення ширини шва до глибини провару менше одиниці, останні дільниці рідкого металу розташовуються в центрі перетину шва і тут можливі скупчення різних забруднень, шлаків, газів і т. д.

При нормальних швах, коли відношення ширини шва до глибини проплавления (це відношення називають коефіцієнтом форми шва) більше одиниці, останні дільниці рідкого металу знаходяться в середині поверхні шва і всі забруднення видаляються з шва.

Та частина, що зварюється, яка безпосередньо примикає до шву, називається біляшовною зоною. У біляшовній зоні внаслідок впливу тепла дуги відбуваються структурні зміни. Цю частину зварювання називають також зоною термічного впливу.

Зміни структури біляшовної зони маловуглецевої сталі показані на рис.10 Безпосередньо до шву прилягає ділянка неповного розплавлення 1. Тут метал піддається сильному перегріву, що викликає значне зростання зерна. Далі, в міру віддалення від шва (ділянка 2), температура і ступінь перегріву зменшуються і зерно металу стає дрібніше. На ділянці нормалізації 3 зерно дрібне, так як за час нагрівання не встигає відбутися збільшення зерен аустеніту, а при наступному охолодженні випадають дрібні зерна перліту і фериту. За ділянкою нормалізації слідом іде ділянка неповної перекристалізації 4, у якій зерна перліту розбиваються на окремі більш дрібні зерна. На ділянці рекристалізації 5 відбувається відновлення деформованих зерен, утворених в процесі прокату сталі. Залежно від вмісту в сталі вуглецю і легуючих домішок,

зміни структури біляшовної зони можуть мати дещо інший характер.

20

Рисунок 10 – Діаграма дільниць і структури біляшовної зони зварного з’єднання:

1 – дільниця неповного розплавлення; 2 – дільниця перегріву; 3 – дільниця нормалізації; 4 – дільниця неповної перекисталізації; 5 – дільниця рекристалізації; 6 – дільниця синьоламкості.

Внаслідок різної температури в різних точках близькошовної зони метал після зварювання має різну структуру в зоні термічного впливу. Різна структура металу зумовлює і різні механічні властивості в біляшовній зоні. Так, наприклад, на ділянці нормалізації, властивості металу можуть бути краще властивостей основного (зварюванного) металу. На ділянці перегріву, де зерно укрупнено, іноді метал знижує свої пластичні властивості, особливо при ударному навантаженні. У зоні термічного впливу змінюється також твердість метала, особливо для сталей, чутливих до термообробки. Покращення твердості металу зазвичай пов'язане із збільшенням крихкості і зниженням пластичності.

Необхідно відзначити, що при зварюванні звичайних маловуглецевих сталей, зміни структури металу в біляшовній зоні помітних впливів на міцність зварного з'єднання не чинять. При правильній техніці накладення швів термітний вплив зварювання на зміну властивостей зварюваного металу може бути зведений до мінімуму.