МДК01.01 ТЕХНОЛОГИЯ СВАРОЧНЫХ РАБОТ — Процессы, протекающие при дуговой сварке

Тема: Основные процессы, протекающие при дуговой сварке

Изучить тему и ответить на вопросы лекции

• Процессов, протекающих в условиях дуговой сварки, много.

• Рассмотрим те, которые имеют общий характер во всех или большинстве случаев выполнения сварки.

• Диссоциация газов и соединений. При диссоциации происходит распад более сложных компонентов на атомы или составные части.

• Этому процессу способствуют наличие высоких температур в зоне сварки и каталитическое действие расплавленного металла.

При дуговой сварке в первую очередь диссоциации подвергаются молекулы газов как простых - кислород, азот, водород, так и сложных - углекислый газ СО2, пары воды Н2О и др.

Диссоциация газов происходит по реакциям:

• Кислород и водород при температурах дуги практически полностью диссоциируют на атомы, азот диссоциирует в меньшей степени.

• Диссоциация водяного пара в зависимости от температуры проходит по реакциям:

• Н2ОН2+O;
• Н2ОOН+H.

• Следовательно, в зависимости от условий протекания реакций водяной пар может окислять или восстанавливать металл сварочной ванны.

• Диссоциации подвергаются и более сложные соединения. Во многих электродных покрытиях и флюсах содержится плавиковый шпат CaF2. При высоких температурах он разлагается по реакции:

• CaF2CaF+F.

• Атомы фтора, соединяясь с электронами, превращаются в ионы с малой подвижностью. Это ведет к снижению проводимости дугового промежутка и ухудшению стабильности дуги.

• Но в то же время атомы фтора способны связывать водород в молекулы HF, не растворяющиеся в металле ванны, уменьшая насыщение металла шва водородом.

• В состав многих покрытий электродов входят карбонаты, например СаСО3. Разлагаясь при высоких температурах, они выделяют углекислый газ, который, в свою очередь, диссоциирует с образованием кислорода.

• СаСО3CaC + CО2.
• CО2CО + О.

• Находясь в атомарном состоянии, газы становятся химически активными и, реагируя с металлом, резко ухудшают его качество.

• Окисление металла при сварке

• Металл сварочной ванны может окисляться за счет кислорода, содержащегося в газовой среде и шлаках в зоне сварки.

• Кроме того, окисление может происходить и за счет оксидов (окалины, ржавчины), находящихся на кромках деталей и поверхности электродной проволоки.

• При нагреве имеющаяся в ржавчине влага испаряется, молекулы воды диссоциируют, а получающийся кислород окисляет металл.

• Окалина при плавлении металла превращается в оксид железа также с выделением свободного кислорода.

• При недостаточной защите сварочной ванны окисление происходит за счет кислорода воздуха.

• Кислород с железом образует оксиды: FeO (22,3 % O2), Fe3O4 (27,6 % O2), Fe2O3 (30,1%O2).

• При высокой температуре сварочной дуги за счет атомарного кислорода в результате реакции Fe + О.

• FeO образуется низший оксид, который при понижении температуры может переходить в другие формы высших оксидов.

• Наибольшую опасность для качества шва представляет оксид FeO, способный растворяться в жидком металле.

• Этот оксид обладает температурой плавления меньшей, чем у основного металла.

• Поэтому при кристаллизации металла шва он затвердевает в последнюю очередь.

• В результате он располагается в виде прослоек по границам зерен, что вызывает снижение пластических свойств металла шва.

• Чем больше кислорода в шве находится в виде FeO, тем сильнее ухудшаются его механические свойства.

• Высшие оксиды железа не растворяются в жидком металле и, если они не успевают всплывать на поверхность сварочной ванны, остаются в металле шва в виде шлаковых включений.

• Железо может окисляться также за счет кислорода, содержащегося в CО2 и парах воды Н2О:

• Fe +CО2FeО+CО.
• Fe+Н2ОFeО +H2.

• В процессе сварки, кроме железа, окисляются и другие элементы, находящиеся в стали, - углерод, кремний, марганец.

• При переходе капель электродного металла в дуге окисление элементов происходит в результат взаимодействия их с атомарным кислородом газовой среды дугового промежутка: C + O СO, Мn + О MnO,Si+2O SiO2.

• В сварочной ванне элементы окисляются при взаимодействии их с оксидом железа.

• C +FeОCО +Fe,
• Mn+FeОMnО +Fe,
• Si+2FeОSiО2+2Fe,

• Окисление этих элементов приводит к уменьшению их содержания в металле шва.

• Кроме того, образующиеся оксиды могут оставаться в шве в виде различных включений, значительно снижающих механические свойства сварных соединений, особенно пластичность и ударную вязкость металла шва.

• Повышенное содержание кислорода влияет и на другие свойства - уменьшает стойкость против коррозии, повышает склонность к старению металла, сообщает ему хладноломкость и красноломкость.

• Поэтому одним из условий получения качественного металла шва является предупреждение окисления его в первую очередь путем создания различных защитных сред.

• Раскисление металла при сварке 

• Применяемые при сварке защитные меры не всегда обеспечивают отсутствие окисления расплавленного металла.
• Поэтому его требуется раскислить.

• Раскислением называют процесс восстановления железа из его оксида и перевод кислорода в форму нерастворимых соединений с последующим удалением их в шлак.

• Окисление и раскисление, в сущности, представляют два направления протекания одного и того же химического процесса.

• В общем случае реакция раскисления имеет вид FeO + Me Fe + MeO, где Me - раскислитель.

• Раскислителем является элемент, обладающий в условиях сварки большим сродством к кислороду, чем железо.

• В качестве раскислителей применяют: кремний, марганец, титан, алюминий, углерод. Раскислители вводят в сварочную ванну через электродную проволоку, покрытия электродов и флюсы.

• Ниже приведены наиболее типичные реакции раскисления.

Раскисление марганцем:

Fe+MnFe+MnO.

• Оксид марганца малорастворим в железе, но сам хорошо растворяет оксид железа FeO, увлекая его за собой в шлак.

Раскисление кремнием:

2FeO+Si2Fe+SiO2.

• Оксид кремния плохо растворим в железе и всплывает в шлак.

• Раскисление кремнием сопровождается реакциями образования более легкоплавких комплексных силикатов марганца, кремния и железа, которые лучше переходят в шлак

• MnO+ SiO2 = MnO  SiO2,
• FeO+ SiO2 = FeO  SiO2,

Раскисление титаном:

2FeO+Ti=2Fe+TiO.

• Титан - энергичный раскислитель, при этом образуются легкоплавкие титанаты марганца и железа

• МnО+ТiO2=МnТiO2,
• FeO+TiO2=FeТiO2.

• Марганец, кремний и титан вводят в сварочную ванну через электродную проволоку, легируя ее через покрытие электрода или флюс, вводя соответствующие ферросплавы.

Раскисление углеродом:

FeO+C=Fe+CO.

• Образующийся оксид углерода выделяется в атмосферу в газообразном состоянии, вызывая сильное кипение сварочной ванны и образуя поры в шве.

• Для получения плотных швов реакцию раскисления углеродом следует «подавить» введением в сварочную ванну других раскислителей, например кремния.

• Легирование металла шва

• Осуществляется различными полезными примесями для улучшения качества металла шва, путем введения полезных элементов в электродные стержни или проволоку, а также в состав электродного покрытия.

• Такие элементы, как кобальт, никель и др., полностью усваиваются наплавленным металлом. Элементы Мn и Si, участвующие в раскислении, при их достаточной концентрации в шлаке и электродном металле также частично усваиваются, переходя в сварной шов.

• Взаимодействие с азотом

• Азот воздуха, попадая в столб дуги, разогревается и частично диссоциирует.

• В атомарном состоянии азот растворяется в жидком металле.

• В процессе охлаждения азот выпадает из раствора и взаимодействует с металлом, образуя ряд соединений - нитридов Fe2N, Fe4N.

• Атомарный азот может соединяться и с кислородом, образуя оксид азота NO, который, растворяясь в каплях электродного металла, переходит в сварочную ванну.

• Содержание азота в металле шва вредно влияет на его механические свойства, особенно пластичность. Кроме того, насыщение металла азотом способствует образованию газовых пор. 

• Снижение азота проводят для защиты расплавленного металла от воздуха или введения в него химических элементов, удаляющих азот в виде неметаллических включений.

• Взаимодействие с водородом

• Водород может попасть в зону сварки из влаги покрытия электрода или флюса, ржавчины на поверхности сварочной проволоки и детали, из воздуха.

• Атомарный водород хорошо растворяется в жидком металле, и с увеличением температуры нагрева растворимость увеличивается.

• Важной закономерностью в поведении газов является скачкообразное изменение их растворимости в металле при фазовых изменениях его и особенно при переходе из жидкого состояния в твердое.

• Растворимость водорода в свариваемом металле

• При охлаждении и кристаллизации сварочной ванны выделяющийся водород не успевает полностью удаляться из металла шва.

• Это приводит к образованию в нём газовых пор.

• Кроме того, атомы водорода, диффундируя в имеющиеся полости и несплошности в затвердевающем металле, приводят к повышению в них давления, развитию в металле внутренних напряжений и образованию микротрещин.

• Снижение газонасыщения швов проводят за счет качественной защиты расплавленного металла при сварке очисткой и прокалкой свариваемого и сварочных материалов.

• Реакции с серой и фосфором. 

• Сера и фосфор являются вредными примесями в сталях. В сварочную ванну они попадают из основного металла, сварочной проволоки и иногда из покрытия электродов или флюса.

• В металле сера и фосфор могут находиться в виде соединений - сульфидов и фосфидов, хорошо растворимых в железе.

• Наличие в металле шва серы и фосфора снижает его механические свойства, сильно повышает склонность к образованию трещин и снижает ударную вязкость.

• Поэтому рафинирование - очистка металла от серы и фосфора, имеет целью уменьшение общего содержания FeS и FeP.

• Рафинирование осуществляют путем связывания серы и фосфора в химические соединения, нерастворимые в стали и удаляемые в шлак, по реакциям:

• При этом MnS,CaSи Са3Р28 переходят в шлак. Следует контролировать состав применяемых для сварки материалов (металла, покрытия, флюса) и не допускать содержания в них серы и фосфора выше норм.

_{^{Вопросы:}}

• _{Какие физико-химические процессы наблюдаются при сварке и их реакции?}
• _{В чем заключаются процессы окисления и раскисления при сварке?}
• _{Каково влияние окисления и раскисления на свойства металла швов?}
• _{Какие неблагоприятные последствия окисления металла при сварке?}
• _{Назовите основные раскислители, применяемые в сварочных ваннах.}
• _{В чем вред примесей серы и фосфора при сварке сталей?}