Основные реакции в зоне сварки.
Рассмотрим основные реакции в зоне сварки, характерные для стали, как наиболее распространенного в промышленности металла.
Реакции окисления и раскисления.
Кислород является наиболее вредной примесью, т.к. окисляет расплавленный металл, образуя окислы. Если окислы растворимы в жидком металле, то они поглощаются последним, образуя с ним при затвердевании твердые растворы.
Нерастворимые окислы выделяются из затвердевшего металла, переходя в шлак. Часть нерастворимых окислов остается в металле шва в виде включений шарообразной формы (так называемых глобул) или, располагаясь по границам зерен, нарушает сцепление их между собой.
При изучении реакций, протекающих в сварочной ванне, следует учитывать возможность окисления жидкого металла:
а) свободным (молекулярным и атомарным) кислородом газовой фазы;
б) кислородом, находящимся в свариваемых кромках в виде окислов и шлаков;
в) кислородом, растворенным в металлической ванне и химически активных шлаках (которые вступают в процессе сварки в обменные окислительно-восстановительные реакции с металлом сварочной ванны).
С железом кислород образует три окисла:
закись железа по реакции 2Fe + O2 
2FeO;
окись железа по реакции 3Fe + 2O2 Fe 3O4;
закись – окись железа 2Fe + 1,5O2 Fe 2O3.
При окислении сначала образуется закись железа, которая в дальнейшем при соответствующих условиях (температуре, соотношении кислорода и железа в сварочной ванне) может переходить в окись и закись-окись.
Из всех трех окислов растворима в железе только закись. Остальные окислы в железе практически не растворимы и на его свойства влияния практически не оказывают. Однако окалина и ржавчина на свариваемых кромках, содержащие высшие окислы (закись-окись и окись железа), свободным железом могут раскисляться до закиси по следующим формулам:
Fe3O4 + Fe = 4FeO;
Fe2O3 + Fe = 3FeO
Образующая закись железа (FeO) растворяется частично в шлаке и частично в расплавленном металле, в результате чего в сварном шве образуются поры. В твердом железе растворимость кислорода невелика.
Присутствие кислорода в металле шва в виде твердого раствора или включений окислов, в первую очередь сказывается на ухудшении механических свойств наплавленного металла: понижаются пределы прочности и текучести, относительное удлинение, ударная вязкость. Кроме того, кислород вредно влияет и на другие свойства металла – снижает стойкость его против коррозии, повышает склонность к старению, делает металл хладноломким и красноломким.
Вследствие окисления содержание некоторых элементов в металле шва может резко уменьшиться, что заметно ухудшает его свойства (см.табл. ). Так, например, при сварке электродами без покрытия количество углерода в металле шва может уменьшиться на 50-60%, а марганца – на 40…50% по сравнению с содержанием их в электродной проволоке.
Для уменьшения растворимости окисла в металле необходимо иметь соответственно более низкую концентрацию окисла в шлаке, в результате окисел будет стремиться перейти из металла в шлак. И наоборот, более высокая концентрация окисла в шлаке способствует его переходу в металл, что используется при введении в покрытие электродов или во флюсы окислов марганца и кремния, чтобы компенсировать выгорание этих элементов при сварке:
SiO2 + 2Feж = 2FeO + [Si]
МnО + Feж = FeO + [Мn]
Таким образом, главным условием получения наплавленного металла высокого качества является защита его от окисления кислородом окружающей среды. Это достигается созданием вокруг расплавленного металла защитной среды из газов и шлаков (или вакуума).
Если жидкий металл содержит элементы раскислители, которые имеют большее сродство к кислороду, чем металл сварочной ванны, то в этом случае концентрация кислорода в сварочной ванне может быть значительно уменьшена за счет элементов раскислителей.
Если элементы, применяемые в качестве раскислителей при сварке, расположить по признаку уменьшения их химической активности к кислороду, то получим следующий ряд: Al, Ti, Si, V, C, Mn, Cr.
Эти элементы поступают в сварочную ванну из присадочного металла, покрытия электродов или из флюса. В качестве веществ, содержащих раскислители, применяют ферросплавы: ферромарганец, ферросилиций, ферротитан и другие.
Благодаря раскислению и защите зоны сварки и расплавленного металла газами и шлаками, образуемыми при расплавлении покрытия электродов и флюса, содержание кислорода в металле шва очень невелико и составляет 0,005-0,057% (в электродной проволоке содержание кислорода не более 0,01%).
Раскисление кремнием и марганцем происходит по реакциям:
2[FeO]+[Si] (SiO2)+[Fe];
[FeO]+[Mn] (Mn)+[Fe].
Образующие при этом окись кремния (SiO2) и закись марганца (MnO) плохо растворимы в жидком металле и переходят в шлак. Кроме того, закись железа и закись марганца могут вступать в реакцию с кислотными окислами, образуя соединения типа 2FeO´SiO2; 2MnO´SiO2(силикаты) и 2FeO´TiO2 (титанаты). Эти соединения почти не растворимы в жидком металле и полностью остаются в слое шлака.
Если в шлаках, образующихся при сварке, преобладают кислые окислы (SiO2, TiO2), то такие шлаки, а также образующие их покрытия и флюсы, называют кислыми. Преобладание в шлаке основных окислов (CaO, FeO, MnO, Na2O, K2O, MgO), наоборот, придает ему химические свойства основания. Соответственно, электродные покрытия и флюсы, дающие основные шлаки, называются основными.
При высоких температурах сварочной ванны, содержащиеся в шлаках окись кремния (SiO2) и закись марганца (MnO) вступают в реакцию с железом сварочной ванны. Эти реакции протекают на границе раздела жидкий шлак – жидкий металл по следующей схеме:
(SiO2)+2[Fe] → 2(FeO)+[Si]
↓
растворяется в металле [FeO]
(MnO)+[Fe] → (FeO)+[Mn]
↓
растворяется в металле [FeO]
С повышением температуры сварочной ванны скорость и полнота протекания этих реакций увеличивается.
Как видно из схемы, образующаяся закись железа (FeO) растворяется в жидком металле. При последующем остывании шва находящаяся в нем закись железа вступает в реакцию с другими элементами, содержащимися в расплавленном металле, такими как кремний, хром, марганец, образуя окислы этих элементов, которые могут оставаться в металле шва. Поэтому при сварке сталей, содержащих повышенное количество кремния, хрома и марганца, не рекомендуется пользоваться кислыми покрытиями или флюсами с высоким содержанием окислов кремния и марганца, т.к. при этом увеличивается содержание кислорода в металле шва, что снижает ударную вязкость.
Основные электродные покрытия и флюсы дают основные шлаки, содержащие преимущественно окись кальция (CaO), которая не отнимет кислород от окислов металлов. В покрытия основного типа, для раскисления наплавленного металла, вводят ферросплавы - ферросилиций и ферротитан. В электродных покрытиях этого типа основными реакциями раскисления будут:
Раскисление кремнием2FeO+Si SiO2+2Fe
Раскисление титаном 2FeO+Si TiO2 +2Fe.
Эти реакции протекают без газообразования, и сварочная ванна остаётся спокойной. Поэтому покрытия основного характера называют также спокойными. Основные электродные покрытия дают наплавленный металл с высоким механическим свойствами.
В результате происходящих в сварочной ванне реакций раскисления содержание кремния и марганца в металле шва несколько увеличивается, например, кремния до 0,1…0,3%, марганца до 0,7…1,0% и более.
Раскисление углеродом, содержащимся в тех концентрациях, какие встречаются в стальных сварных швах, происходит менее активно, чем кремнием (более интенсивно раскисление углеродом может происходить при сварке угольным электродом на обратной полярности).
С кислородом окислов углерод взаимодействует, главным образом, в момент расплавления электрода и только в зоне наиболее высоких температур сварочной ванны. Раскисление же марганцем и кремнием происходит при более низких температурах и протекает вплоть до начала кристаллизации металла шва.
Раскисление углеродом происходит по реакции:
[FeO]+[C] CO↑+ [Fe]
Образовавшаяся газообразная окись углерода (CO) не растворяется в жидком металле и выделяется в атмосферу, вызывая сильное кипение сварочной ванны. Поэтому кислые покрытия называют кипящими.
Если кремния в металле шва недостаточно, то раскисление может происходить преимущественно за счет углерода с образованием (CO), избыточное количество которой не успевает выделится из кристаллизующегося металла и остаётся в нем, образуя газовые поры. Для получения плотного, беспористого шва необходимо подавлять реакцию окисления повышением содержания кремния в металле сварочной ванны до 0,2…0,3% .
При понижении содержания кремния в металле шва до 0,12% и ниже неизбежно образование большого количества пор.
Раскисление при сварке стальных заготовок применяется редко. Выше указывалось, что алюминий обладает большим сродством к кислороду. Однако окись алюминия (Al2 O3) не растворима в жидком металле и медленно переходит в шлак, кроме того, алюминий способствует окислению углерода, что вызывает пористость шва. Поэтому алюминий, как раскислитель, при сварке сталей вводится в металл шва только тогда, когда нужно уменьшить окисление других легко окисляемых элементов, например, титана, но имеющих меньшее сродство к кислороду, чем алюминий.
Для предотвращения насыщения металла водородом при сварке необходимо:
· Производить прокалку электродов перед сваркой.
· Хранить электроды в сухом месте в герметичных футлярах.
· Защищать места сварки от попадания влаги.
· Использовать проволоку без ржавчины и удалять ржавчину с кромок свариваемого металла.
· Стараться не применять многопроходных швов при автоматической сварке под флюсом, т. к. при наложении последующих слоев водород насыщает нижележащие слои в момент их расплавления.
19.9. Типы сварных соединений при ручной дуговой сварке зависят от взаимного расположения свариваемых элементов.
Сварные соединения и швы классифицируются по следующим основным признакам:
· виду соединения – стыковые, угловые, тавровые, нахлёсточные (рис.19.11);
· положению, в котором выполняется сварка – нижнее «в лодочку», нижнее угловое, нижнее стыковое, горизонтальное, вертикальное, полупотолочное и потолочное;
· конфигурации (прямолинейные, кольцевые, вертикальные, горизонтальные);
· протяжённости (сплошные и прерывистые);
· применяемому виду сварки;
· способу удержания расплавленного металла шва (швы, выполненные без подкладок и подушек; на съёмных и остающихся стальных подкладках; на медных, флюсо-медных, керамических и асбестовых подкладках, а также флюсовых и газовых подушках);
· количеству наложенных слоёв (одно- , двух- и многослойные швы);
· применяемому для сварки металлу (швы соединения углеродистых и легированных сталей, швы соединения цветных металлов, швы соединения винипласта и полиэтилена);
· расположению свариваемых деталей относительно друг друга (под острым или тупым углом; под прямым углом; а также располагаться в одной плоскости);
· действующему на шов усилию – комбинированные, косые, фланговые, лобовые;
· объёму наплавленного металла – швы нормальные, ослабленные, усиленные форме свариваемой конструкции (швы на плоских или сферических конструкциях);
· форме подготовленных кромок под сварку (V- образные, X-образные, K-образные и т.д.).
Ручную дуговую сварку применяют для изготовления конструкций из углеродистых, легированных и высоколегированных сталей, а также из чугуна, медных и алюминиевых сплавов толщиной от 1 до 50 мм. Ее целесообразно проводить в монтажных условиях.
Рис. 19.11. Виды сварных соединений: а - стыковые; б - нахлесточные; в - угловые; г - тавровые
Недостаток ручной дуговой сварки - малая производительность, которая в свою очередь, зависит от квалификации сварщика.
Дата добавления: 2015-09-18; просмотров: 2824;