double arrow

Металлургия газопламенной сварки.

 

Сварка металлов в активных газах – автогенная сварка, в котором источником теплоты является ядро пламени горелки, а сварка происходит в атмосфере продуктов сгорания ацетилена в О2.

 

Сварка в инертных газах.

 

Ar, He не образуют химических соединений с металлами. Азот не взаимодействует с Cu, Co и др. поэтому процессы окисления, азотирования, наводораживания, растворения газов и вредных примесей связаны с несовершенством газовой защиты зоны сварки и проникновением в нее атмосферного воздуха. Кроме того, наличие даже небольших концентраций вредных примесей в инертных газах, окисленных поверхностных слоев на кромках металла и сварочной проволоки, способствует образованию оксидов, нитридов и др. соединений, заметно снижающих физико-механические свойства сварных соединений.

Ar имеет атомную массу 39,94 и плотность – 1,783 кг/м3, что больше плотности воздуха и обеспечивает хорошую защиту. Не имеет атомную массу 4 и плотность – 0,178 кг/м3. организовать хорошую защиту в струе Не труднее, чем в Ar. Чистота аргона, поставляемого для сварки, определяется марками А, Б, В, Г (ГОСТ 10157-79). Для сварки Ti, Zr, Nb и др. употребляется аргон другой марки А (99,98% чистоты), для сварки Al и Mg сплавов – Ar марки Б (99,95%), для сварки аустенитных сталей Ar марок В и Г (99,9 и 95-97% чистоты).

Для повышения чистоты Ar его пропускают через аппарат, содержащий стружку титана, нагретую до 770 К, в котором протекают реакции:

1. ;

2. ;

3. .

Таким образом, из Ar удаляются следы влаги, O2, N2.

Дуговой разряд горит в струе Ar или Не очень устойчиво и при меньших Uд по сравнению с СО2. Это происходит потому, что инертные газы одноатомные и не расходуется энергия на их диссоциацию, а проводимость дугового промежутка обеспечивается парами свариваемого металла.

 

Металлургические процессы при сварке в инертных газах.

 

Лучше Ar, т.к. он дешевле, чем Не и обладает лучшими защитными свойствами.

Стали сваривают в СО2 или под флюсом, но когда нужно упрочнить средне- или высоколегированные стали, то применяют сварку в Ar.

Al-сплавы и Mg-сплавы требует уже Ar повышенной чистоты (марок А или Б).

Оксид Al – Al2O3 – способствует образованию пор в металле шва и снижает стабильность горения дугового разряда при сварке W-электродом на переменном токе.

Al2O3 может гидратироваться (поглощать водород), и при попадании в сварочную ванну он будет обогащать ее Н2, что приведет к пористости в сварном соединении. Поэтому перед сваркой кромки травят в щелочных растворах, механически защищают металл и обезжиривают. Проволока подвергается травлению и механической зачистке.

Добавление к Ar хлора, фтора или летучих фторидов (TiF4) снижает пористость, но повышает токсичность процесса.

Al2O3 отрицательно сказывается на стабильность горения дуги на переменном токе вследствие существенного различия физических условий для эмиссии электронов с W и Al при смене полярностей.

Сварка Mg-сплавов (МА 2;МА 8; МА 2-1) в основном похожа на сварку Al-сплавов, но MgO менее прочно связан с металлом и не обладает такими защитными свойствами как Al2O3. Основные дефекты при сварке Al и Ti-сплавов – пористость, наличие оксидных включений в металле шва.

Сварка Ti и его сплавов (ВТ1; ВТ5; ВТ15;ОТ4). Ti реагирует с O2, N2, C, H2 и наличие этих соединений приводит к резкой потере пластичности металла сварочного соединения.

Особенно Ti чувствителен к Н2, с которым он образует гидриды TiH2; TiH1,75, разлагающиеся при высокой t, а при кристаллизации образуются игольчатые кристаллы, которые нарушают связь между металлическими зернами титана (замедленное разрушение).

Концентрация Н2 должна быть в пределах 0,006% - 0,004%; О2 ≤ 0,15%; N2 ≤ 0,05%.

Для сварки применяется Ar марки А, прошедший дополнительную очистку. Электрод W.

Сварка особо ответственных конструкций выполняется в камерах с контролируемой атмосферой.

Сварка Cu и ее сплавов. Получение качественного ошва – без пор – трудно, т.к. в исходном металле есть закись меди, а также наблюдается высокая склонность меди и ее сплавов к поглощению Н2. Сварку ведут в Ar, He, а также N2 W – электродом, (угольным не для всех марок меди) на постоянном токе прямой полярности с присадочной проволокой.

Аргоно-дуговая сварка Cu осуществляется с применением специального флюса, содержащего в качестве раскислителей FeMn, FeSi, FeP, FeTi.

При повышенных требованиях к металлу шва в качестве раскислителей используют редкоземельные металлы.

При сварке Cu применяют также смесь Ar с N2 (20 – 30% N2), что повышает тепловую мощность сварочной дуги, а также Ar с Не.

Cu и ее сплавы можно сваривать в азоте угольным электродом на графитовой или асбестовой подкладке.

 

Смешанная газошлаковая защита сварочной ванны. (ручная дуговая сварка толстопокрытыми или качественными электродами. Середина 20-х годов).

 

Этот способ защиты появился раньше всех уже рассмотренных выше методов.

РДС применяется в строительстве, судостроении, энергомашиностроении. Это маневренный способ, его возможно выполнять в труднодоступных местах.

В настоящее время разработан широкий ассортимент электродов для сварки сталей различного типа и многих сплавов. Кроме того, появилась возможность автоматизации процесса сварки путем применения порошковых проволок, содержащих внутри оболочки практически те же компоненты, которые используются при изготовлении покрытия.

Сварка металлическим электродом без покрытия была предложена Н. Н. Бенардосом.

Состав покрытия электродов определяется рядом функций:

1). Защита зоны сварки от О2, N2, воздуха;

2). Раскисление металла сварочной ванны;

3). Легированием ее нужными элементами;

4). Стабилизация дугового разряда.

 

Металлургические процессы при сварке покрытыми электродами.

 

Электродные покрытия состоят из целого ряда компонентов: ионизирующие, шлакообразующие, газообразующие, раскислители, легирующие, вяжущие.

Ионизирующие: Na2, CO3, K2CO3.

Шлакообразующие компоненты – минералы: полевой шпат K2OּAl2O3ּ6SiO2; мрамор, мел CaCO3, магнезит MgCO3, глинозем Al2O3, флюорит CaF2, рутил TiO2, кварцевый песок SiO2, гематит Fe2O3. При сплавлении образуются шлаки различной активности В.

Газообразующие компоненты – вещества, разлагающиеся с выделением большого объема газа – мрамор, мел или органические вещества: декстрин, крахмал, целлюлоза, которые, сгорая в электродной дуге, делают много газообразных продуктов – СО2, СО, Н22О.

Раскислители и легирующие компоненты – металлические порошки или порошки ферросплавов – FeMn, FeSi, FeCr, FeW. Ферросплавы – это лигатуры, быстро растворяющиеся в жидкой стали. Никель вводится в виде порошка, т.к. он при сварке почти не окисляется.

Вяжущие компоненты – жидкое стекло или полимеры.

Качество полученного сварного соединения зависит от относительной массы покрытия:

- относительная масса покрытия,

где - масса металлического стержня электрода;

- масса нанесенного покрытия.

Кп = 25 – 35 % у электродов для сварки.

Кп = 50 – 80 % - электроды для наплавки (много ферросплавов в обмазке).

Производительность процесса сварки определяется αр и αп. αп < αр.

Электроды для сварки классифицируются в соответствии с ГОСТ 9467-75. В основу классификации положены механические свойства металла шва и свойства соединения в целом. Тип электрода определяется буквой Э с цифрой, показывающее гарантированное временное сопротивление металла в десятых мегапаскалей.

Если стоит цифра А, то это означает улучшенные пластические свойства. Например Э42А.

Одному и тому же типу электрода соответствуют разные марки электрода. Например, к типу Э42 относятся электроды АНО-1, АНО-6, СМ-2, ОММ-5; ЦМ-7, МЭЗ-04 и др.

Одинаковые свойства наплавленного металла и всего сварного соединения в целом можно получить электродами разных марок, с покрытиями разных составов, но относящиеся к одному и тому же типу электродов.

В зависимости от вида компонентов, которыми осуществляется защита зоны сварки от атмосферы, все электродные покрытия можно разбить на 4 группы (ГОСТ 9467-75);

1). Кислые покрытия (А) в состав которых входят оксиды железа марганца, титана и кремния, представляющие собой шлаковую основу покрытия. Газовая защита создается органическими составляющими (крахмал). Раскислителем служит FeMn. В состав этой группы входят электроды ОММ-5, ЦМ-7, МЭЗ-04, СМ-5 и др.

2). Основные покрытия (Б) построены на основе карбоната кальция (мрамор) и плавикого шпата (флюорита), который служит шлакообразующим компонентом. Газовая защита создается диссоциацией мрамора (CaCO3). В качестве раскислителей используют FeTi, FeMn, FeSi. В состав этой группы входят электроды маро УОНИ-13, СМ-11, ОЗС, МР и др. К этой же группе относятся безокислительные покрытия, содержащие мало CaCO3 и много CaF2 (до 80%), предназначенные для сварки высокопрочных сталей. к таким электродам относятся ИМЕТ-4; ИМЕТ-8.

3). Рутиловые покрытия (Р) построены на основе рутила TiO2 с добавками полевого шпата (K2OּAl2O3ּ6SiO2), магнезита и др. шлакообразующих компонентов. Газообразующие вещества – целлюлоза, декстрин и карбонаты (MgCO3, CaCO3). Раскислителем служит FeMn. Электроды с таким покрытием – электроды АНО-4; АНО-5; АНО-6.

4). Целлюлозные покрытия (Ц) построены на газообразующих веществах (целлюлоза). Для раскисления сварной ванны добавляют FeMn, FeSi. Покрытия такого типа имеют электроды ОМА-2, применяемые для сварки сталей малых толщин, ВСП-1 (с железным порошком), ВСЦ-2.

 

Металлургические процессы при сварке электродами различных групп.

 

Электроды группы А при сварке создают значительное количество газов (CO2; CO; H2; H2O) в результате разложения и окисления органических компонентов обеспечивают хорошую защиту от атмосферного воздуха.

В этих электродах содержиться гематит (Fe2O3) и FeMn. Окислительно-восстановительные процессы при сварке этими электродами можно передать следующими уравнениями реакций:

- экзотермич.

1). - экзотермич.

2). .

3). .

4). .

Восстановление Fe из покрытия увеличивает α и до 10-12 г/(А·г).

Электроды группы Б при сварке осуществляют защиту зоны сварки вследствие разложения мрамора CaCO3, а оксид кальция СаО идет на образование шлаковой системы основного типа CaO-CaF2. В дуге находятся CO, CO2, H2, H2O. Во избежание появления Н2 в зоне сварки эти электроды надо перед сваркой прокаливать при Т = 470 – 520 К. Недостаток этих электродов – малая устойчивость дугового разряда, требующая сварки на постоянном токе обратной полярности.

Электроды группы Р осуществляют защиту зоны сварки шлаками на основе TiO2, полевого шпата (K2OּAl2O3ּ6SiO2), магнезита MgCO3, который, разлагаясь, дает большой объем СО2, но, кроме того, защитная атмосфера пополняется органическими компонентами. Эти электроды обеспечивают высокую устойчивость горения дуги, хорошее формирование шва и отделяемость шлаковой корки, возможность сварки в любом пространственном положении шва. Эти электроды малотоксичны и обеспечивают высокие механические свойства у наплавленного металла

Электроды группы Ц с ограниченным покрытием (~ 50% пищевой муки, целлюлозы), при разложении и окислении выделяется большое количество газа, обеспечивающего хорошую защиту от воздуха. Для устранения водородной хрупкости или появления пор при сварке надо вводить окислители: TiO2, FeO, MnO2. Для уменьшения влияния Н2 в покрытия вводят CaF2. Технологические свойства электродов типа Ц довольно высокие и их применяют при сварке в различных пространственных положениях.

Металлургические процессы при сварке электродами сильно зависят от характера переноса электродного металла, что, в свою очередь, зависит от плотности электродного металла тока.

РДС толстопокрытыми электродами малопроизводительна, а качество зависит от квалификации сварщика.

Возникла идея помещения порошкообразных компонентов, коорые используются в качественном покрытии, внутри пустотелой электродной проволоки, получившей название порошковой проволоки.

 

Сварка порошковой проволокой.

 

Электроды с основным покрытием имеют существенные преимущества перед другими группами покрытий. Поэтому они рекомендуются для сварки ответственных конструкций из сталей повышенной точности ( МПа).

Впервые в СССР порошковая проволока была применена в институте электросварки им. Е. О. Патона в 1956 – 1957 г. для сварки в СО2.

В настоящее время порошковые проволоки нашли промышленное применение для сварки и наплавки в СО2 и без защитного газа (самозащитная порошковая проволока). В полость электрода засыпают порошкообразные компоненты – шлако- и газообразующие (при сварке в СО2 газообразующие компоненты не применяются), раскислители, а в ряде случаев и специальные легирующие добавки, а также железный порошок. Диаметр порошковых проволок колеблется от 1,6 до 3 мм. Однако шлаковая и газовая защита зоны сварки при применении порошковой проволоки недостаточна, несмотря на содержание в ней 20 – 30% порошков, поэтому для сварки ответственных конструкций требуется дополнительная газовая защита (СО2).

Компоненты порошкового сердечника получают меньшее количество энергии от дуги, замкнутой на стальную оболочку снаружи, и поэтому задерживается процесс их плавления и замедляется металлургическая обработка сварочной ванны.

По типу сердечника порошковые проволоки для сварки подразделяются на рутиловые, содержащие в качестве основы TiO2 (ПП-АН8; ПП-АН2; ПП-АН10) и рутил-флюоритные на основе TiO2 и CaF2 (ПП-АН4; ПП-АН9; ПП-АН20).

Для сварки открытой дугой применяют порошковые проволоки карбонатно-флюоритного типа, которые содержат газообразующие компоненты CaCO3, MgCO3, а также плавиковый шпат, алюмосиликаты, раскислители (ПП-АН2, ПП-АН6 и др.).

В зависимости от марки порошковой проволоки используют для сварки малоуглеродистых низколегированных и высокопрочных сталей и обеспечивают необходимые механические свойства металла шва. Порошковые проволоки используют также и для наплавочных работ с целью упрочнения поверхностных слоев.

 

Вакуумная защита сварочной ванны.

 

Получение высококачественных сварных соединений из химически активных металлов возможно только после разработки оборудования и технологического процесса сварки электродным лучом в вакуумной камере. При степени раскисления, равной Р = 1,3·10-2 Па, в сварочной камере обеспечивает содержание О2 и N2 значительно ниже концентрации этих примесей в Ar высшей чистоты.

В качестве источника теплоты при сварке с вакуумной защитой используется кинетическая энергия испускаемых свободным катодом свободных электронов.

Металлургические особенности образования шва при ЭЛС во многом обуславливаются чрезвычайно высокой плотностью энергии, выделяемой в пятне нагрева (примерно 5·108 Вт/см2), и физическими условиями плавления металла в вакууме.

Благодаря высокой интенсивности и сосредоточенности такого источника нагрева, как электродный луч, достигается исключительно узкое и глубокое проплавление металла в вакууме с малой ОШЗ, что обеспечивает существенное снижение деформации и сварочных напряжений.

Кратковременность пребывания сварочной ванны в расплавленном состоянии, малый ее объем и незначительные размеры зоны сплавления способствуют также уменьшению влияния диффузионных процессов на пористость металла шва.

Положительное влияние вакуума на качество сварных соединений выражается в том, что значительно ускоряются и обеспечиваются процессы выхода газов и диссоциации оксидов не только в поверхностных, но и из внутренних слоев металла. Удаление О2, N2 из сварочной ванны при ЭЛС происходит тем полнее, чем больше упругость диссоциации оксидов и нитридов.

Высокая степень разрежения способствуют также разрушению поверхности загрязнений и жидкостных пленок, которые препятствуют получению качественного сварного соединения при дуговых способах сварки.

 

Вредные примеси в металле при сварке и их удаление.

 

К «вредным» примесям относятся C, P, O2, N2, H2, а в некоторых случаях и С.

Сера – всегда вредная примесь при сварке металлов, т.к. она образует относительно легкоплавкие эвтектики Me-MeS, что создает возможность образования «горячих» или кристаллизационных трещин в металле шва. Ее содержание в шве нужно ограничивать.

Снижение вредного влияния серы достигается ее переводом из сульфидов железа в сульфиды с более высокой t плавления (MnS; Tпл = 1883 К; CaS; Тпл = 2273 К), с тем чтобы она не могла участвовать в процессе кристаллизации, образуя неметаллические включения, еще в жидком металле сварочной ванны (Тпл = 1800 К).

Это достигается при введении в сварочную ванну достаточно количества Mn. Кальций вводят в металл ванны в виде SiCa через электродные покрытия или порошковую проволоку.

Общее снижение S в металле при сварке возможно при сильно основных шлаках. Бескислородные фторидные флюсы также способствуют удалению серы из металла в результате образования летучих фторидов металла (FeF2, FeF3) и твердых сульфидов:

.

Сера удаляется при ЭШС и переплава металлов.

Фосфор – вредная примесь в металлах, снижающая их пластичность. При кристаллизации стали Р образует ряд соединений с железом (Fe3P, Fe2P, FeP, FeP2), отличающихся хрупкостью, кристаллы которых могут быть зародышами холодных трещин. Содержание Р в металле шва при дуговой сварке понизить практически не удается, т.к. он удаляется в окислительных шлаках, а сварочные шлаки – восстановительные. Концентрация Р в шве снижается только при ЭШС.

При сварке Cu – сплавов Р не представляет собой вредную примесь, т.к. он способен раскислить металл, образуя летучий оксид Р2О5:

.

Кислород – вредная примесь в металле при сварке, снижающая пластические свойства металла, поэтому при всех видах сварки предусматривается процесс раскисления металла шва до допустимой нормы.

При сварке металлов высокой активности (Al, Ti Zr) следует создавать бескислородную атмосферу – Ar, He, вакуум, галидные флюсы, т.к. раскислителей для таких металлов подобрать нельзя.

Однако при сварке конструкционных сталей следует сохранять некоторую окисленность металла для уменьшения растворимости водорода.

Азот (из атмосферы дугового промежутка, в котором он находится в основном в атомарном и частично в ионизированном состояниях. Растворимость N2 в жидком металле выше, чем в твердом, и в процессе кристаллизации металла шва он может выделяться в газообразном состоянии, образуя поры.

При кристаллизации металл сварочной ванны азот образует почти со всеми металлами соединения – нитриды различной степени устойчивости. Нитриды железа Fe4N, Fe2N образуют очень хрупкие игольчатые кристаллы, разрушение которых приводит к зарождению холодных трещин. Из промышленных металлов только Cu не дает устойчивых нитридов и поэтому ее можно сваривать в атмосфере N2/

N2 не всегда представляет собой вредную примесь и в некоторых сталях аустенитного класса содержание его доводят до 0,3 – 0,4%.

Водород при сварке – вредная примесь. Источники Н2:

1). Н2, поглощенный металлом из дуги;

2). Н2, растворенный в основном металле.

Н2 поглощенный из атмосферы дуги, в которой он находится в атмосферном и ионизированном состояних, при кристаллизации резко понижает свою растворимость и, выделяясь из металла, вызывает возникновение по и трещин.

Н2, находящийся в основном металле, может находиться в состоянии твердого раствора внедрения – диффузионно-подвижный водород, а также находиться в связанном состоянии – гидридный водород. Водород в молекулярном состоянии находится в микросплошностях металла.

Диффузионно-подвижный водород может перемещаться в металле в результате концентрационой или термической диффузии, создающейся вследствии градиента температур. Последний вид диффузии описывается уравнением

,

где D – коэффициент диффузии, зависящий от t; С0 – исходная концентрация Н2; ΔН – разность энатальпий растворения Н2 в данном металле; - градиент t; S – сечение потока диффузии; t – время.

Если ΔН > 0 (для Al, Cu, Fe и др.), то направление потока термодиффузии противоположно потоку теплоты, что характерно для металлов, не образующих гидридов, у которых растворимость растет с повышением t. Если ΔН < 0 (Ti, Zr,V, Nb и др.), то направление потока термодиффузии совпадает с направлением потока теплоты, что характерно для гидрообразующих металлов. В результате высоких градиентов t возникает неравномерная концентрация водорода, которая может быть устранена последующей термической обработкой.

Для металлов, не образующих гидридов, максимальная концентрация Н2 наблюдается вблизи линии сплавления, а для гидрообразующих – в зоне термического влияния. Таким образом при средней относительно небольшой концентрации водорода в металл в свароном соединении возникают опасные зоны повышенной хрупкости.

Пути снижения Н2:

1). Частичное окисление атмосферы в сварочной зоне (сварка в СО2, электроды с руднокислым покрытием);

2). Снижение парциального давления Н2 и создание условий для умекньшения растворимости Н2 в жидком металле сварочной ванны (введение во флюсы и покрытия CaF2, фторидов, хлоридов) в целях связывания Н2 в прочные соединения, не растворяющиеся в жидком металле (HF, HCl);

3). Тщательная подготовка кромок под сварку, удаляя частично гидратированные оксидные пленки на металле;

4). Уменьшать содержание водяных паров в амт. дуги путем высушивания защитных газов (CO2, Ar);

5). Прокалка электродных покрытий и сварочные флюсы перед сваркой.

Углерод, содержание кот. сохраняют при сварке конструкционных низколегированных сталей, представляет собой вредную примесь при сварке специальных сталей и жаропрочных сплавов, в которых содержание углерода должно быть малым [(0,03 …0,06%)С].

В результате взаимодействия с углеродосодержащими веществами в сварочных материалах (CaCO3 и т.д.) содержание углерода при сварке может подняться выше допустимых пределов.

 


Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:  



Сейчас читают про: