Способы борьбы с загрязнениями металла шва
§ 13. Загрязнение металла шва
В процессе нагрева при сварке молекулы кислорода, азота и водорода, содержащиеся в воздухе, распадаются на атомы и ионы. В атомном состоянии они обладают высокой химической активностью и сравнительно легко образуют химические соединения с элементами, входящими в состав стали. В свою очередь, химические соединения могут растворяться в железе, составляющем основу стали. Способность растворения химического соединения в железе тем выше, чем больше температура нагрева и меньше содержание углерода в стали. Например, закись железа FeO при температуре плавления железа 1539°С растворяется в железе до концентрации 0,21% кислорода, нитриды железа Fe4N и Fe2N — до 0,065% азота, атомарного водорода — 0,0008%, сульфида железа FeS — до 0,7% серы, также много растворяется в железе фосфидов Fe3P, Fe2P, FeP.
Растворимость этих соединений еще больше при температуре кипения железа, равной 2735°С.
Если смесь этих растворов внезапно охладить до комнатной температуры, то вся масса металла будет находиться в состоянии перенасыщенного твердого раствора, обладающего весьма большой хрупкостью.
Однако с течением времени из твердых растворов выпадают отдельные компоненты. Они образуют новую структуру, отличающуюся от структуры основного металла.
Распад любого твердого раствора в течение длительного времени называют химическим старением металла. Обычно оно сопровождается снижением вязкости и пластичности металла и в этом отношении является вредным процессом. Поэтому нельзя допускать насыщения сварного шва вредными примесями, находящимися в растворе.
Источниками насыщения шва вредными веществами служит окружающий воздух, ржавчина, масло, влага, минералы, входящие в состав сварочных материалов, химические соединения, образующиеся в процессе взаимодействия сварочных материалов с расплавленным металлом.
Борьба с загрязнениями металла шва производится в процессе образования капель на торце электрода, при переносе капель в сварочную ванну и в самой сварочной ванне в процессе нагрева и охлаждения ее. Применяются физический и химический способы борьбы с загрязнениями металла шва.
Физический способ борьбы с загрязнениями заключается в сушке и прокаливании сварочных материалов для удаления из них влаги, а следовательно, кислорода и водорода, в удалении ржавчины, масла и влаги с поверхностей свариваемых деталей; в создании газовой и шлаковой оболочек вокруг дуги, препятствующих проникновению воздуха.
Химический способ борьбы с загрязнениями состоит в раскислении металла сварочной ванны, а также в удалении сульфидов, фосфидов, нитридов и водорода при помощи химических реакций. В результате этих реакций образуются новые химические соединения, нерастворимые в железе и переходящие в сварочный шлак.
Раскислителями являются либо чистые материалы (С, Al), либо ферросплавы (FeMn, FeSi, FeTi и др.), либо кислые окислы (SiO2, TiO2 и др.), а также восстановительные газы (СО, H2). Тогда закись железа FeO, способная растворяться в железе, переводится в нерастворимое химическое соединение по следующим формулам :
где MeO и FeO o SiO2 — нерастворимые вещества.
Растворимый сульфид железа FeS в результате реакции FeS+CaO→CaS+FeO заменяется нерастворимым сульфидом кальция CaS, который при малой скорости охлаждения всплывает наверх и переходит в сварочный шлак.
При высоких скоростях охлаждения нерастворимые соединения, содержащие кислород, азот, водород, серу и фосфор, внесенные сварочными материалами или из воздуха, могут остаться в шве в виде окислов, нитридов, газов, сульфидов и т. п. и тем самым ухудшить механические свойства металла шва. Но отрицательное влияние этих примесей меньше тех, которые находятся в растворе.
Различные загрязнения (неметаллические включения) удаляются из металла шва флюсами-растворителями, вводимыми в состав сварочных материалов (проволока, покрытия штучных электродов, флюсы, порошки в порошковой проволоке и т. д.). Флюсы-растворители образуют с загрязняющими веществами легкоплавкую механическую смесь, имеющую низкую удельную плотность. Она легко всплывает наверх и переводит вредные вещества из металла шва в шлак.
Хорошим флюсом-растворителем, который часто применяется в сварочных материалах, является плавиковый шпат (CaF2).
Плавиковый шпат также и химически взаимодействует с азотом и водородом, образуя нерастворимые в железе вещества, которые удаляются из сварочной ванны в шлак. Атомный фтор, выделяющийся из фтористого кальция при высокой температуре, соединяется с атомным азотом или с атомным водородом и образует фтористый азот NF или фтористый водород HF, которые не растворяются в железе и легко удаляются из металла шва в шлак (NF) и в виде газа (HF) в атмосферу.
Химическим взаимодействием между жидким металлом и неметаллическими веществами можно не только очищать металл от загрязнений, но и легировать его. Под легированием понимают введение в металл шва различных элементов (хром, никель, марганец и др.), которые придают ему заданные свойства (прочность, вязкость, коррозионную стойкость и др.).
Источник
Pereosnastka.ru
Обработка дерева и металла
В процессе нагрева при сварке молекулы кислорода, азота и водорода, содержащиеся в воздухе, распадаются на атомы и ионы. В атомном состоянии они обладают высокой химической активностью и сравнительно легко образуют химические соединения с элементами, входящими в состав стали. В свою очередь, химические соединения могут растворяться в железе, составляющем основу стали (более 99%). Способность растворения химического соединения в железе тем выше, чем больше температура нагрева’ и меньше содержание углерода в стали. Например, закись железа FeO при температуре плавления железа 1539° С растворяется в железе до концентрации 0,21% кислорода, нитриды железа Fe4N и FesN — до 0,065% азота, атомарного водорода — 0,008%, сульфида железа FeS — до 0,7% серы, также много растворяется в железе фосфидов Fe3P, Fe2P, FeP.
Растворимость этих соединений еще больше при температуре кипения железа, равной 2460 °С.
Если смесь этих растворов внезапно охладить до комнатной температуры, то вся масса металла будет находиться в состоянии перенасыщенного твердого раствора, обладающего весьма большой хрупкостью.
Однако с течением времени из твердых растворов выпадают отдельные компоненты. Они образуют новую структуру, отличающуюся от структуры основного металла.
Распад любого твердого раствора в течение длительного времени называют химическим старением металла. Обычно оно сопровождается снижением вязкости и пластичности металла и в этом отношении является вредным процессом. Поэтому нельзя допускать насыщения сварного шва вредными примесями, находящимися в растворе.
Источниками насыщения шва вредными веществами служит окружающий воздух, ржавчина, масло, влага, минералы, входящие в состав сварочных материалов, химические соединения, образующиеся в процессе взаимодействия сварочных материалов с расплавленным металлом.
Борьба с загрязнениями металла шва производится в процессе образования капель на торце электрода, при переносе капель в сварочную ванну и в самой сварочной ванне в процессе нагрева и охлаждения ее. Применяются физический и химический способы борьбы с загрязнениями металла шва.
Физический способ борьбы с загрязнениями заключается в сушке и прокаливании сварочных материалов для удаления из них влаги, а следовательно, кислорода и водорода, в удалении ржавчины, масла и влаги с поверхностей свариваемых деталей; в создании газовой и шлаковой оболочек вокруг дуги, препятствующих проникновению воздуха.
Химический способ борьбы с загрязнениями состоит в раскислении металла сварочной ванны, а также в удалении сульфидов, фосфидов, нитридов и водорода при помощи химических реакций. В результате этих реакций образуются новые химические соединения, нерастворимые в железе и переходящие в сварочный шлак.
При высоких скоростях охлаждения нерастворимые соединения, содержащие кислород, азот, водород, серу и фосфор, внесенные сварочными материалами или из воздуха, могут остаться в шве в виде окислов, нитридов, газов, сульфидов и т. п. и тем самым ухудшить механические свойства металла шва. Но отрицательное влияние этих примесей меньше тех, которые находятся в растворе.
Различные загрязнения (неметаллические включения) удаляются из металла шва флюсами-растворителями, вводимыми в состав сварочных материалов (проволока, покрытия штучных электродов, флюсы, порошки в порошковой проволоке и т. д.). Флюсы-растворители образуют с загрязняющими веществами легкоплавкую механическую смесь, имеющую низкую удельную плотность. Она легко всплывает наверх и переводит вредные вещества из металла шва в шлак.
Хорошим флюсом-растворителем, который часто применяется в сварочных материалах, является плавиковый шпат (CaF2).
Плавиковый шпат также и химически взаимодействует с азотом и водородом, образуя нерастворимые в железе вещества, которые удаляются из сварочной ванны в шлак. Атомный фтор, выделяющийся из фтористого кальция при высокой температуре, соединяется с атомным азотом или с атомным водородом и образует фтористый азот NF или фтористый водород HF, которые не растворяются в железе и легко удаляются из металла шва в шлак (NF)’ и в виде газа (HF) в атмосферу.
Химическим взаимодействием между жидким металлом и неметаллическими веществами можно не только очищать металл от загрязнений, но и легировать его. Под легированием понимают введение в металл шва различных элементов (хром, никель, марганец и др.), которые придают ему заданные свойства (прочность, вязкость, коррозионную стойкость и др.).
Источник
Борьба с загрязнениями – важный вклад в сварочное качество
В обширном списке причин сварочных дефектов посторонние загрязнения занимают одно из малопочетных лидирующих мест. Такие наслоения – источник опасности технологического порядка и возможная причина человеческих травм. Остаточные пятна ржавчина или масла чреваты значительными материальными потерями и людскими трагедиями, которые не подаются меркантильной оценке. Поэтому борьба с ними носит многофакторный и комплексный характер.
Уже начальные стадии производственного процесса могут включать в себя меры по предупреждению загрязнений. Еще на этапе складского хранения следует предусмотреть защиту будущих заготовок от атмосферной влажности, данные меры даже включают в типовые инструкции на аппараты сварочные производителя Kemppi и другие марки премиального оборудования. Не менее актуальны навесы и системы вентиляции в помещениях хранения комплектующих, заготовок и расходных частей для сварочных полуавтоматов – качество швов действительно зависит от таких «атмосферных предосторожностей». К сожалению, практика многонедельного пребывания металла на открытом воздухе остается распространенным явлением на многих российских предприятиях, что усложняет последующую подготовку к сварке.
После разметки и подгонки заготовок их необходимо очистить в местах стыков с запасом не менее 20-30 миллиметров по ширине. Обязательному удалению подлежат пятна краски и лаков, ржавчина и следы масла. Если привариванию подлежит деталь не прокатная, а литая, то следует обратить внимание на очистку от формовочных остатков и литейной корки. Исключение составляет слой окалины после горячей прокатки заготовок, и то при условии его небольшой толщины. Если же образование окалины имеет термическую природу (нагрев после штамповки, отпуска, отжига и т.п.), то такой поверхностный дефект подлежит зачистке.
Наибольшей производительностью и универсальностью характеризуется предсварочная очистка заготовок на пескоструйных машинах. К недостаткам данного способа следует отнести ощутимую стоимость и громоздкость оборудования, а также запыление помещений при работе. Пылевая взвесь из мельчайших частиц металла способна нанести вред здоровью персонала и оборудованию – даже премиальные аппараты сварочные производителя Kemppi и других качественных брендов не предусматривают полной герметичности. Пескоструйная очистка большей частью находит применение в комплексном производстве – для обрубных и литейных цехов она является частью технологической цепочки и не требует дополнительных капитальных вложений. При работе сварочным полуавтоматом качество швов не менее чувствительно к загрязнениям, чем при сварке посредством ручных инверторов. Очистка мелкозернистым песком оптимальна при большой площади ржавчины на деталях, вплоть до налета коррозийного слоя по всей их поверхности.
Для локальной очистки места будущего шва могут использоваться мобильные механические способы – электрические щетки и переносные наждачные круги. Стационарные наждаки с успехом применяются для предсварочной подготовки легких и небольших деталей, обработка на них может быть весьма тщательной. Недостатком механической очистки следует признать высокую трудоемкость и медлительность процесса.
Такие источники «сварочных проблем», как масло, окалина, ржавчина и краска, допустимо выжигать. Отжиг производят паяльными лампами, стандартными горелками оборудования для газовой резки, газовыми резаками в режиме «подогревательного» пламени либо многопламенными горелками специализированных конструкций. Многопламенные горелки хорошо зарекомендовали себя при очистке металла в условиях монтажных и строительных работ, при обработке объемных штампованных емкостей (цистерны, котлы и т.п.). Такие горелки быстро прокаливают основной слой ржавчины, сухой остаток легко отделяется от основного металла. Коэффициенты линейного расширения прокаленной ржавчины и железа сильно отличаются, больших усилий на удаление сухого остатка не требуется.
Особую важность имеет защита от загрязнений электродов и электродной проволоки. Лучшим решением будет предусмотреть все необходимые меры предосторожности на стадии упаковки и хранения. Если советские электроды допускали очистку от ржавчины в специальных вращающихся барабанах с помощью древесных опилок или обычного сухого песка, то с современными электродными стержнями так лучше не экспериментировать. Качественные аппараты (сварочные от производителей Kemppi, EWM, Lincoln Electric, ESAB и т.д.) желательно использовать с электродами безупречного качества – фирменными или их аналогами. Иначе и премиальное оборудование не обеспечит достойного сварочного результата.
Если загрязнений избежать не удалось, то масляные следы с электродов лучше всего удалять раствором каустической соды или бензином, с последующей промывкой и обязательной просушкой. Очистка электродной проволоки в бухтах существенно сложнее, а ведь при работе сварочным полуавтоматом качество присадочного (наплавляемого) материала имеет первостепенное значение. Из действенных способов борьбы с загрязнением электродной проволоки в катушках и бухтах можно посоветовать травление в слабом кислотном растворе (для H2SO4 концентрация не более 10 %), последующей нейтрализацией щелочным составом (например, едким натром), промывкой и сушкой. Разумеется, предварительно следует убедиться в допустимости «кислотного» метода для конкретного вида (типа, марки) загрязненного электрода. Местные следы ржавчины, масла и т.п. на электродной проволоке удаляются наждачной бумагой непосредственно перед заправкой в кассету. Очистку самих свариваемых изделий рекомендуется проводить за 1.5 – 3 часа до сварки (сборки). Чем выше сырость воздуха, тем меньше «время ожидания» зачищенных деталей – во избежание образования окисной пленки.
Важно отметить, что предварительно зачищенный и собранный узел все равно следует внимательно осмотреть перед началом сварочных работ. При длительном и/или небрежном хранении ржавчина, масло и грязь могут возникнуть и в таких конструкциях. Узлы на «прихватках» или в сборке возможно зачищать электрическими щетками или наждачным инструментом, но ржавчина при таком способе полностью не удаляется, заполняя зазоры и щели. При нахлесточном соединении ржавчину в сопряженных поверхностях не удается ликвидировать в принципе. Если разобрать узел невозможно, а сомнения в его загрязнении имеются, то механическую очистку совмещают с продувкой сжатым воздухом. Особо тщательно продувают стыки и зазоры. В любом случае выжигание посторонних загрязнений дает лучшие результаты, чем «механика + продувка». Там, где «выжиг» допустим технологически, его используют достаточно широко. Например, сварка при строительно-монтажных работах обычно сопровождается именно «выжиганием» ржавчины. Современная сварочная проволока менее склонна к образованию ржавого налета и адсорбированию прочих загрязнений. Обыкновенной зачистки металлической щеткой при полуавтоматической сварке с лихвой хватает для высокого качества швов.
Источник
