ОСНОВНЫЕ ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ В СВАРОЧНОЙ ВАННЕ
Эти особенности вносят определенные трудности в получении качественного шва, но при правильно выбранной технологии сварки данной марки стали или сплава, правильно выбранном режима сварки или другими словами высокой квалификации сварщика можно получить равнопрочный свариваемому металлу шов. Это и требуется от сварочного соединения.
ОСНОВНЫЕ ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ В СВАРОЧНОЙ ВАННЕ
1. ВЛИЯНИЕ КИСЛОРОДА.
Кислород попадает в сварочную ванну из воздуха и с железом образует три оксида Fe3O4; Fe2O3; FeO.
Самым нежелательным из них является FeO, который растворяется в расплавленном металле, а в процессе кристаллизации сварочной ванны, выделяется по границам столбчатых кристаллитов ( характерных для литой структуры) или зерен, нарушая и расслабляя связь между ними. В результате значительно снижается прочность, ударная вязкость, пластичность шва, т.е. основные механические свойства. Для уменьшения влияния кислорода:
— необходима надежная газовая и шлаковая защита сварочной ванны от воздуха, что и осуществляется за счет покрытия электрода;
— так же в покрытие вводятся раскислители, т.к. защита не гарантирует проникновение воздуха. Раскислителями называются химические элементы, обладающие большим сродством (активностью) к кислороду, чем железо. По этому признаку, наиболее встречаемые в сварочной ванне элементы, можно расположить в следующем порядке:
AL; Ti; V; Si; C; Mn; Cr; Fe; W; Co. . . .
Элементы, стоящие с ряду левее железа будут являться раскислителями. Из них AL не используют, т.к. образуются тугоплавкие, тяжелые и трудно выводимые из сварочной ванны оксиды. Наиболее широко применяются вводимые в виде ферросплавов Ѕi, Mn, Ti, которые восстанавливают железо из FeO и образуют нерастворимые, легко всплывающие и переходящие в шлак ЅiО2; MnO; TiO2.
2. Влияние углерода.
Углерод содержится, при сварке сталей, в основном металле, а так же в электроде. Является раскислителем и при чем его активность зависит от температуры. Например, от 1800 град, он своей активностью к кислороду превосходит титан, стоящий на втором месте, а от 2000 град. и алюминий. Температура сварочной ванны примерно в этих пределах и при восстановлении железа по реакции FeO + C = Fe + CO происходит его «выгорание», т.к. СО представляет собой газ. Пониженное содержание углерода повышает пластичность металла шва, но снижает его прочность. «Выгоранию» углерода препятствует кремний, при его содержании в основном металле 0,2 — 0,3 % и более.
3. Влияние азота.
Азот попадает в сварочную ванну из воздуха и образует с железом нитриды Fe2N; Fe3N, которые повышают прочность и твердость металла шва, но снижают его пластичность, что является нежелательным. Для уменьшения влияния азота достаточно надежной шлаковой и газовой защиты сварочной ванны от воздуха во время сварки.
4. Влияние водорода.
Причиной появления водорода в сварочной ванне является вода, которая при высокой температуре распадается на атомарный водород (+Н) и (-ОН). Атомарный водород, растворяясь в расплавленном металле, а при кристаллизации сварочной ванны, преобразуясь в молекулярный (Н2), скапливается в отдельных местах, образует поры (пузырьки) снижающие прочность шва. Кроме того, при усадке металла сварочной ванны, происходит сжатие водорода в пузырьках до десятков атмосфер в результате чего, при недостаточной пластичности металла возможно образование микротрещин, очень опасных для шва. Вода может попасть в сварочную ванну из — за:
—влаги на свариваемых кромках;
— ржавчины, окалины на кромках, т.к. они являются гидратами оксидов, например
— влажности покрытия электрода.
Для уменьшения влияния водорода следует:
— свариваемые кромки осушить;
— зачистить кромки до блеска стальной щеткой от ржавчины и окалины;
— влажное покрытие электрода просушить в сушильных шкафах или печах. Время просушки и допустимое содержание влаги в покрытии, указывается на бумажных ярлыках пачек электродов.
5. Влияние серы и фосфора.
Сера и фосфор могут попасть в сварочную ванну:
— из покрытия электрода. Чем меньше в нем их содержание, тем выше качество покрытия;
— из электродного (присадочного) и основного металла, в которых они являются вредными примесями и так же определяющими качество стали.
Сера придает металлу красноломкость, т.е. снижение прочности и явления ползучести при высоких температурах эксплуатации конструкции, а так же способствует появлению горячих трещин в шве. Это объясняется тем, что сера образует с железом сернистое железо Fe2S имеющее температуру плавления 1193 град, меньшую, чем у железа 1539 град. Оно расплавляется по границам кристаллитов (зерен) и при высокой температуре плавится в первую очередь. Уменьшает влияние серы марганец, содержащийся в покрытии, при этом MnS переходит в шлак.
Фосфор придает металлу хладноломкость, т.е. снижение прочности и пластичности при низких температурах эксплуатации конструкции, а так же способствует образованию холодных трещин в шве. Уменьшает влияние фосфора кальций, содержащийся в большом количестве в электродах с основным покрытием. Вот почему, сварку при низких температурах следует вести электродами с основным видом покрытия, во избежание появления холодных трещин.
Источник
Взаимодействие сварочной ванны с газами при газовой сварке
В процессе газовой сварки газы в сварочную ванну попадают из пламени и окружающей атмосферы как непосредственно, так и в результате протекающих там химических реакций.
Процесс растворения газов в жидком металле может быть разбит на три стадии:
- поглощение атомов газов поверхностью металла;
- взаимодействие этих газов с металлом поверхностных слоев;
- диффузия образовавшихся продуктов в глубь жидкой ванны.
Источниками кислорода и водорода являются воздух, флюсы, защитные газы, а также оксиды, поверхностная влага и другие загрязнения основного и присадочного металла. Азот попадает в зону сварки главным образом из воздуха. Характер взаимодействия газов с различными металлами различен.
Свойства металла шва в большей степени определяются процессами окисления и раскисления, которые происходят в сварочной ванне при взаимодействии газовой и шлаковой фаз с жидким металлом. В сварочной ванне в зоне высоких температур происходит распад молекул газа на атомы (диссоциация).
Активность газов в атомарном состоянии резко повышается. Находящийся в газовой фазе молекулярный и атомарный кислород соединяется с металлом сварочной ванны. Одновременно происходит окисление примесей и легирующих элементов, содержащихся в металле. В первую очередь окисляются элементы, обладающие большим сродством к кислороду. Железо с кислородом образует три соединения: оксид FeO, содержащий 22,7% О2, оксид Fe3О4, содержащий 27,64% О2, и оксид Fe2О3, содержащий 30,06% O2. Из всех трех оксидов растворимы в железе FeO и Fe3О4. В твердом железе растворимость кислорода невелика. Если жидкий металл имеет 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.
Водород также растворяется в большинстве металлов. Он может находиться в составе газовой фазы в молекулярном или атомарном состоянии, это зависит от температуры. При более высоких температурах молекулярный водород диссоциирует на атомарный и ионизированный. Водород — вредная примесь, так как является причиной пор, микро- и макротрещин в шве и зоне термического влияния. Применяются два способа борьбы с водородом: физический — это защита сварочной ванны от компонентов, содержащих водород (сушка, прокалка материалов, удаление ржавчины и др.), химический — перевод водорода из растворимого состояния в нерастворимое.
Азот, как и водород, в зависимости от температуры может находиться в молекулярном, атомарном и ионизированном состояниях. Основным источником азота в сварочной ванне является окружающий воздух. Азот растворяется в элементах, с которыми образует соединения, называемые нитридами. Азот не растворяется в меди, никеле, золоте, серебре и не образует с ними химических соединений. Азот способствует образованию пор в металле шва.
Углерод, содержащийся в сварочной ванне, является хорошим раскислителем. В сварочной ванне он присутствует в виде углекислого газа. Образующийся оксид углерода СО в металле шва не растворяется, в процессе кристаллизации сварочной ванны он выделяется и образует поры.
Удаление избыточного количества вредных примесей и газов из металла шва называют рафинированием металла.
В сталях вредными газами и примесями являются азот N2, водород Н2, кислород О2, сера S, фосфор Р и др. Рафинирование выполняют с помощью окислительно-восстановительных процессов. Легирование металла шва можно получить расплавлением присадочной проволоки либо введением в покрытие или флюс порошкообразных металлических добавок. При расплавлении сварочного флюса и электродного покрытия сердечника порошковой проволоки образуется шлак. В расплавленном состоянии металл и шлак представляют собой несмешивающиеся жидкости. Шлаки не растворяются в металлах (кроме некоторых элементов, их составляющих). Сварочные шлаки, которыми покрыт расплавленный металл, защищают его от вредного воздействия воздуха, предохраняют расплавленные капли электродного металла от воздуха при их прохождении через дуговой промежуток. Кроме того, в результате химического взаимодействия между металлом и шлаком шлак раскисляет металл сварочной ванны, растворяет вредные примеси, легирует металл шва, накапливая теплоту, замедляет охлаждение металла шва, что способствует улучшению его качества. В зависимости от элементов, составляющих шлак, его химическое воздействие на жидкий металл может быть окисляющим или раскисляющим.
Для получения необходимых свойств металла шва важное значение имеют физические и технологические свойства шлака. Сварочный шлак должен обладать меньшей температурой плавления, чем основной металл (примерно на 200- 350°С). Это необходимо для того, чтобы шлак в расплавленном состоянии полностью покрыл всю поверхность сварочной ванны (эффективное защитное действие шлака, улучшается формирование шва). Шлак должен иметь плотность меньше, чем плотность основного металла; хорошую жидкотекучесть для быстрого протекания в нем химических процессов; способность защищать расплавленный металл от воздуха и вместе с тем легко пропускать газы, выделяющиеся из ванны металла; хорошую растворимость различных соединений; минимальное количество вредных примесей; способность легко отделяться от металла сварочного шва в твердом состоянии.
Шлаковые включения в металле шва отрицательно влияют на его свойства. Они являются результатом присутствия в электродных покрытиях и флюсах кварца SiO2 и корунда Аl2O3 легкоплавкие включения. В металл шва из покрытий и флюсов может переходить сера, образующая соединение с железом (сульфид железа FeS). Такое соединение повышает склонность металла шва к появлению трещин при высоких температурах. К неметаллическим включениям относятся также химические соединения азота с металлами. При дуговой сварке сталей наибольшее влияние на свойства металла шва оказывают химические соединения азота с железом. Они обладают высокой твердостью и резко снижают пластические свойства металла.
Шлаковые включения делают металл неоднородным, ухудшают его свойства. По химическому составу шлаковые включения отличаются от наплавленного металла, что способствует появлению коррозии. Для снижения содержания шлаковых включений в металле сварочного шва зачищают поверхности в местах сварки; удаляют ржавчину, окалину и загрязнения со свариваемых поверхностей; зачищают поверхности сварных швов при многослойной сварке; увеличивают толщину слоя флюса для замедления скорости охлаждения сварного шва при сварке под флюсом; вводят в состав электродных покрытий и флюсов элементы, снижающие температуру плавления оксидов и образующие соединения, легко всплывающие в металле и удаляемые вместе со шлаковой коркой.
Источник
Защита сварочной ванны от воздействия окружающей среды
СЛАЙД 2 Расширение применения сварочных технологий в промышленности стало возможным после разработки надежных методов защиты зоны сварки от воздействия с окружающей средой – воздухом и водой. Применение сварки при подводнотехнических работах имеет специфические особенности и поэтому не рассматривается.
Как уже отмечалось сварка плавлением это высокотемпературный процесс, который сопровождается изменением состава металла сварочной ванны при взаимодействии с кислородом, азотом, парами воды и другими компонентами воздуха. Высокая реакционная активность расплавляемых металлов приводит к образованию оксидов, нитридов и гидридов, значительно ухудшающих состав и свойства металла сварного шва.
При сварке трубопроводов и конструкций используется четыре основных способа защиты сварочной ванны от вредного воздействия окружающей воздушной среды:
Вакуумная защита применяется при сварке конструкций из титана, молибдена, ванадия и других химически активных и тугоплавких металлов и поэтому в дальнейшем рассматриваться не будет.
Шлаковая защита
СЛАЙД 3 При автоматической и механизированной (полуавтоматической) сварке под слоем флюса применяется шлаковая защита зоны сварки (рис 1).
Рис. 1 Схема механизированной сварки под слоем флюса:
1 – свариваемый основной металл; 2 – подающие ролики; 3 – электродная проволока; 4 – слой гранулированного флюса; 5 – шлак; 6 – сварной шов; 7 – сварочная ванна; 8 – дуговой разряд СЛАЙД 4
Электрический дуговой разряд, перемещаемый вдоль свариваемого шва механическим устройством, поддерживается в замкнутом пространстве в среде расплавленного флюса и флюса в полужидком состоянии, причем газы дуговой атмосферы – пары металла и компонентов флюса – поддерживают давление внутри полости выше, чем давление окружающей атмосферы. Дуговая сварка под слоем флюса – высокопроизводительный процесс, обеспечивающий хорошее формирование сварного шва.
СЛАЙД 5 Состав флюса подбирается таким образом, чтобы образующийся шлак при плавлении и последующем застывании легко отделялся от поверхности сварного соединения.
В основном применяются плавленые и керамические флюсы.
СЛАЙД 6 Плавленые получаются сплавлением входящих в них компонентов в электрических или пламенных печах и гранулируются выливанием в воду.
Керамические флюсы получаются путем грануляции замеса из тонкоизмельченных компонентов, соединенных между собой жидким стеклом. В отличие от плавленых в керамических флюсах могут содержаться металлические порошки – раскислители и легирующие компоненты, так как в процессе приготовления керамические флюсы не подвергаются нагреву до высоких температур.
СЛАЙД 7 Наибольшее распространение в производстве получили плавленые флюсы различных марок, изготовляемые в крупных промышленных масштабах. Плавленые флюсы по своему составу и назначению делятся на алюмосиликатные, предназначенные для сварки сталей различных марок, и фторидные, предназначенные для сварки титановых сплавов. Алюмосиликатные флюсы выбираются по составу в зависимости от марки стали, так как при взаимодействии со шлаком состав металла сварочной ванны может изменяться.
СЛАЙД 8 Классификация флюсов производится также по физическим свойствам: по структуре зерна они делятся на стекловидные и пемзовидные, по характеру изменения вязкости – на длинные и короткие, по характеру взаимодействия с металлом – на активные и пассивные. Пассивные применяются в основном при сварке среднелегированных сталей.
СЛАЙД 9 При дуговой сварке под слоем плавленого флюса различают: высокотемпературную зону, охватывающую плавящийся торец электрода, капли металла, проходящие дуговой промежуток и активное пятно дугового разряда в сварочной ванне; и низкотемпературную зону – хвостовая часть ванны, где температура приближается к температуре кристаллизации металла.
В высокотемпературной зоне интенсивно развиваются эндотермические реакции, приводящие к легированию и одновременно к окислению металла сварочной ванны компонентами флюса. В этой же зоне происходит интенсивное окисление углерода стали и восстановление кремния марганцем.
Интенсивное перемешивание шлака с металлом приводит к извлечению значительной части FeO в шлаковую фазу.
При сварке под флюсом почти не происходят потери металла и оценить изменения химического состава металла шва можно по исходному составу. По шлифу сварного шва можно определить его площадь и, зная разделку под сварку можно найти соотношение количеств расплавленного основного металла и наплавленного электродного металла, а затем, зная состав проволоки и состав основного металла, находят исходный состав, предполагая, что никаких химических реакций не было.
СЛАЙД 10 Керамические флюсы для сварки металлов позволяют сохранять все преимущества автоматической сварки под слоем флюса: малые потери металла, высокая производительность, высокое качество сварных соединений, но в то же время позволяют легировать и раскислять металл сварочной ванны в очень широких пределах. Керамические флюсы представляют собой порошки различных компонентов, образующих шлаковую фазу, изолирующую металл от окисления, и ферросплавы или свободные металлы для раскисления и легирования. Все эти порошковые материалы замешивают на растворе силиката натрия Na2SiO3 (жидкое стекло) и подвергают грануляции на специальных устройствах. После этого их просушивают, прокаливают для удаления влаги и хранят в герметической таре. Так как в процессе изготовления они не подвергаются нагреву, то все даже активные металлы в них сохранены и при плавлении флюса они переходят в металл шва, раскисляя его и легируя до нужного состава.
СЛАЙД 11 По назначению различают керамические флюсы для сварки и наплавки углеродистых и легированных сталей, цветных металлов и сплавов. По химическому составу шлакообразующей массы флюсы могут быть отнесены к кислым, нейтральным и основным. Кроме того, их делят на несколько типов: марганцово-силикатные, кальций-силикатные и флюоритно-основные и др.
По степени легирования металла шва керамические флюсы делятся на слабо легирующие для сварки низкоуглеродистых и низколегированных и сильно легирующие для сварки специальных сталей.
Основной недостаток керамических флюсов состоит в том, что они обладают повышенной гигроскопичностью, что требует хранения их в герметичной таре и прокалки перед сваркой. Наличие гидратной влаги в флюсе приводит к повышению содержания водорода в наплавленном металле, что ухудшает его свойства.
Источник
