Лекція 4 Поводження металевих складових зварювальних матеріалів при зварюванні. Розкислення. Легування

Мета лекції – вивчення поведінки складових зварювальних матеріалів при зварюванні

План лекції:

1. Поведінка металевих складових зварювальних матеріалів при зварюванні.

2. Розкислення. Легування.

Рекомендована література

12. Теория сварочных процессов. Под редакцией Фролова В.В. – М.: Высшая школа. 1988. – 558 с.

13. Багрянский К.В. Электродуговая сварка и наплавка под керамическими флюсами. – Киев: “Техніка”, 1976.- 184 с.

14. Сварочные материалы для дуговой сварки т. 1. Под редакцией Потапова Н.Н. – М: Машиностроение. 1989.- 544 с.

15. Ерохин А.А. Основы сварки плавлением. – М: “Машиностроение”. 1973. – 448 с.

16. Ефименко Н.Г., Калин Н.А. Раскисляющая способность редкоземельных элементов в сравнении в сравнении с известными раскислителями // Сварочное производство. – 1978. - № 10. – С. 1-2.

17. Ефименко Н.Г., Калин Н.А. Термодинамический анализ окислительно-восстановительных процессов с участием углерода при сварке плавлением //Автоматическая сварка. – 2000. - №7. – С. 18-21.

Лекція 4 Поводження металевих складових зварювальних матеріалів при зварюванні. Розкислення. Легування

Відомо, що властивості металів взагалі й зварених швів зокрема визначаються їхнім хімічним складом і структурою. При зварюванні різних металів і сплавів необхідні состави металу зварених швів досить різноманітні й варіюються у зв'язку з експлуатаційним призначенням звареної конструкції. Основним способом регулювання хімічного складу швів є варіювання состава наплавляємого металу, тобто застосовуваних зварювальних матеріалів. Хоча состави електродних, присадочних матеріалів, регламентовані ГОСТ і ТУ, досить різноманітні, забезпечити тільки ними необхідну номенклатуру составів металу швів (наплавлень) виявляється скрутним. Тому, наприклад, для розкислення, а також легування з метою одержання необхідного состава металу швів (наплавлень) при зварюванні крім присадочного металу в процес уводять через зварювальні матеріали необхідні елементи, звичайно у вигляді добавок чистого металу або сплавів.

Способи введення додаткових металевих матеріалів при зварюванні досить різноманітні. Це можуть бути різні металеві напівфабрикати - присадочні вставки, що вводять в оброблення; леговані дроти в пластино-проволочних електродах при електрошлаковому зварюванню й ін. Часто як металеві добавки використаються попередньо підготовлені порошки - виготовлені з монолітних шматків дробленням; відновлені із сипучих, порошкоподібних з'єднань, зокрема окислів, та ін. Такі порошки вводяться з іншими матеріалами в шихту електродних покриттів у вигляді порошкової суміші у внутрішні частини порошкових дротів і стрічок, у порошкоподібну шихту керамічних флюсів, що піддає зв'язуванню яким-небудь матеріалом, що клеїть, і гранульовану на певні розміри. Рідше порошкоподібні металеві матеріали насипають на що зварює або підлягаючому наплавленню виріб і розплавляють на ньому, причому іноді для закріплення їх зв'язують у мастикоподібні пасти, що наносять на поверхню виробу.

У деяких випадках основною метою застосування порошкоподібних металевих добавок є не зміна хімічного складу металу шва, а підвищення продуктивності зварювання (добавка залізного порошку в електродні покриття при зварюванні сталей та ін.).

У більшості випадків додаткові металеві матеріали за період існування рідкого металу повинні рівномірно розподілитися в металевій основі. Іноді цей процес починається в краплях присадки (електрода) і триває у зварювальній ванні; у деяких випадках він і починається й закінчується у зварювальній ванні. У випадку, коли такі добавки відіграють роль елементів, що зв'язують кисень, їхній рівномірний розподіл у ванні й забезпечення цим процесу розкислення не є обов'язковим. Вони можуть робити й превентивну дію, зв'язуючи кисень ще до його надходження в метал крапель або ванни. Це явище в ряді випадків має місце в електродних покриттях, коли такі добавки, зокрема елементи з більшою спорідненістю до кисню, ще в складі покриття зв'язують кисень, що виділяється іншими матеріалами, що потенційно міг би окислити розплавляє метал, що, стрижня.

Принципово коефіцієнти переходу елемента зі стрижня й з покриття різні, тому що при знаходженні елемента в покриттях (звичайно у вигляді порошків) його реакція з недостатньо розкисленим покриттям відбувається інтенсивніше, ніж при його знаходженні в стрижні. Тому більше точний розрахунок концентрації елемента в наплавленому металі може бути зроблений по формулі

[Me]_нм = [Me]_эсК_{перМеЭс} + G_эп/G_эсР_Ме[Me]_РМеК_{перМеЭп.} (1)

де К_{перМеЭс} і К_{перМеЭп} — відповідно коефіцієнти переходу елемента Me з електродного стрижня й покриття;

G_эп/G_эс — відносна вага покриття;

Р_Ме — відносна кількість у складі покриття матеріалу, що містить елемент Me у металевому стані;

[Ме]_нм; [Ме]_эс; [Me]р_Ме — концентрації елемента Me відповідно в наплавленому металі, електродному стрижні й матеріалі Р_Ме, уведеному в покриття.

У деяких випадках, наприклад, коли ступеня легування відносно невеликі й припустимі коливання состава наплавленого металу перекривають точність розрахунків, можна приймати

К_{перМеЭс} = К_{перМеЭп}

Тоді формула спрощується

[Me]_нм = К_перМе {[Me]_эс + G_эп/G_эсР_Ме[Me]_РМе}_. (2)

У випадку, якщо легуючий елемент уводиться тільки через покриття (у стрижні цей елемент відсутній), те, розрахунок стає ще простіше, тому що член [Ме]_эс = 0.

Коефіцієнти переходу залежать не тільки від фізико-хімічних властивостей елемента, але й від виду покриття. Так, наприклад, при легуванні хромом (до кількостей [Сг]_нм= 1%) через покриття різних видів були отримані наступні значення К_пер :

для кислого-рудно-кислого покриття типу ОММ-5 - 0,45;

для покриття типу ЦМ-7 - 0,60 -0,65;

для добре розкисленого, на базі карбонатів, -0,9.

Для найпоширеніших при зварюванні легованих і високолегованих сталей, тобто у випадку, коли найбільше часто застосовується додаткове легування при досить розкислених феросиліцієм і феротитаном покриттях фтористо-кальцієвого виду, значення коефіцієнтів переходу ряду елементів наведені нижче:

^К_пер

Нікель 0,96—1,0

Хром 0,85—0,92

Молібден 0,8—0,85

Марганець 0,5.5—0,7

Ванадій 0,8—0,85

Вуглець (графіт) 0,45—0,6

Хоча, як відзначалося у вище можливо легування металу за рахунок обмінних реакцій із з'єднаннями (головним чином окислами) флюсів-шлаків і навіть за допомогою газової фази, найбільше поширення при зварюванні має легування металевими складовими, що вводять. На цьому, крім розглянутого вище приклада з електродними покриттями, засноване застосування керамічних флюсів з металевими добавками; порошкових дротів, коли не вдається мати дроту суцільного перетину; порошкових пластинчастих (стрічкових) електродів. Застосовуються також більше специфічні (і менш строгі за результатами легування) способи зварювання (наплавлення) по крупці, по пасті з порошкоподібними металевими складовими й ін.

Всі ці способи мають свої особливості застосування, але принципові схеми взаємозв'язку між кількостями елементів, що вводять, у процес і кінцевий їхній зміст у наплавленому металі залишаються однаковими. Що стосується хімічного складу металу швів, то при цьому варто враховувати й розведення наплавленого металу основним.