Металлургические процессы при сварке низкоуглеродистых, низколегированных и высоколегированных сталей

При сварке используют безокислительные низкокремнистые фторидные и высокоосновные флюсы, создающие в зоне сварки безокислительные или малоокислительные среды, способствующие минимальному угару легирующих элементов. Остатки шлака и флюса на поверхности швов, которые могут служить очагами коррозии сварных соединений на коррозионно- и жаростойких сталях, необходимо тщательно удалять. Тип флюсов предопределяет преимущественное использование для сварки постоянного тока обратной полярности. При этом достигается и повышенная глубина проплавления.

2.4 Сварка в защитных газах

В качестве защитных используют инертные (аргон, гелий) и активные (углекислый) газы, а также различные смеси инертных или активных газов и инертных с активными. Этот способ сварки имеет ряд существенных преимуществ. Его можно использовать для соединения металлов широкого диапазона толщин - от десятых долей до десятков миллиметров.

Применение инертных газов существенно повышает стабильность дуги. Значительное различие теплофизических свойств защитных газов и применение их смесей, изменяя тепловую эффективность дуги и условия ввода теплоты в свариваемые кромки, значительно расширяют технологические возможности дуги. При сварке в инертных газах наблюдается минимальный угар легирующих элементов, что важно при сварке высоколегированных сталей. При сварке в защитных газах возможности изменения химического состава металла шва более ограничены по сравнению с другими способами сварки и возможны за счет изменения состава сварочной (присадочной) проволоки или изменения доли участия основного металла в образовании металла шва (режим сварки), когда составы основного и электродного металлов значительно различаются.

Сварку в защитных газах можно выполнять неплавящимся вольфрамовым или плавящимся электродом.

Для сварки высоколегированных сталей используют аргон высшего или 1-го сортов по ГОСТ 10157-79. Сварку ведут на постоянном токе прямой полярности. Исключение составляют стали и сплавы с повышенным содержанием алюминия, когда для разрушения поверхностной пленки окислов, богатой алюминием, следует применять переменный ток.

Сварку можно выполнять непрерывно горящей или импульсной дугой. Импульсная дуга благодаря особенностям ее теплового воздействия позволяет уменьшить протяженность околошовной зоны и коробление свариваемых кромок, а также сваривать металл малой толщины при хорошем формировании шва. Особенности кристаллизации металла сварочной ванны при этом способе сварки способствуют дезориентации структуры, уменьшая вероятность образования горячих трещин. Однако эта же особенность может способствовать образованию околошовных надрывов при сварке высоколегированных сталей. Для улучшения формирования корня шва используют поддув газа, а при сварке корневых швов на металле повышенных толщин - специальные расплавляющиеся вставки.

2.5 Электродуговая сварка

Современные высоколегированные стали, даже не подвергнутые специальному металлургическому улучшению--вакуумному, элект-рошлаковому, плазменно-дуговому переплавам,-- отличаются хоро-шей раскисленностью и высокой чистотой по кислороду и вредным примесям.

Практически все защитные среды, применяемые для наиболее распространенных методов электродуговой сварки сталей, не являются абсолютно нейтральными по отношению к жид-кому металлу. Не только активные или защитные газы -- двуокись угле-рода, смеси аргона и гелия с кислородом или углекислым газом -- либо активные флюсы -- шлаки, но и обычно поставляемые промыш-ленностью газы -- аргон и гелий, а также фторидные (так называе-мые бескислородные) флюсы или основные покрытия электродов содержат: защитные газы -- небольшое количество кислорода, во-дорода, азота, а флюсы -- активные окислы, примеси серы, фос-фора и водород.

Естественно, что при использовании этих защитных сред, осо-бенно аргона, гелия и фторидных флюсов, насыщение жидкого металла кислородом и азотом несравнимо меньше, чем при сварке незащищенной дугой или с защитой активными газами и шлаками. Однако, за исключением сварки в вакууме, при электроду-говой сварке различных сталей происходят в большей или в мень-шей степени активные металлургические процессы взаимодействия жидкого металла с защитной средой.

В зависимости от вида и режима электродуговой сварки, каче-ства и состава защитной среды, химического состава основного и присадочного металлов в сварочной зоне могут происходить реак-ции прямого окисления элементов металла и его раскисления, окис-лительно-восстановительные реакции и связанные с ними выгора-ние некоторых элементов и соответственное снижение количества их в шве по сравнению с содержанием в свариваемом (основном) и присадочном (электродном) металлах либо переход их из флю-са (шлака) или расплавленного электродного покрытия в шов. При этом может происходить увеличение или, наоборот, уменьше-ние количества в шве кислорода, азота, водорода, серы и фосфора, а также рафинирование металла при введении элементов, связываю-щих вредные примеси в нерастворимые в жидком металле соедине-ния или измельчающих структуру последнего при его затвердевании.

Процессы взаимодействия жидкого металла с газовой фазой и шлаком при электродуговой сварке происходят как на стадии образования капель электродного металла и перехода их через ду-говой промежуток в сварочную ванну, так и на стадии существова-ния жидкого металла в ванне до его затвердевания, причем наиболее интенсивно эти реакции протекают на первой стадии.

Для обеспечения требуемого состава металла шва, а следова-тельно, хотя бы ориентировочного учета степени окисления (выго-рания) элементов присадочного и свариваемого (основного) метал-лов или, наоборот, легирования ими металла шва за счет флюса, покрытия электродов или защитного газа, а также возможного ра-финирования жидкого металла и требуемого в связи со всем этим состава электрода необходимо знать направление и пример-ную степень развития окислительно-восстановительных реакций в сварочной зоне. Это, как известно, зависит от концентрации, температуры, удельной поверхности и продолжительности контак-тирования реагирующих веществ, а также от химического сродства к кислороду различных элементов, содержащихся в металле элек-тродных капель и сварочной ванны. Чем больше концентрация, удельная поверхность и продолжительность контактирования жид-кого металла с газовой фазой и компонентами шлака в зоне сварки, тем полнее протекают реакции их взаимодействия.

Температура капель в зоне дуги составляет 2150--2350 °С,

а газа -- 2900 °С, в то время как температура металла в сварочной ванне равна в среднем 1750° С, а газа в месте соприкосновения с ван-ной -- 2300 °С.

Естественно, что температура металла в ванне под дугой зна-чительно выше, чем в средней ее части, а по мере удаления от дуги снижается до температуры кристаллизации металла.

Из данных некоторых опытов следует, что температура капель электродного металла может изменяться в зависимости от защитной среды (наличия и количества в зоне дуги ионизирующих веществ и деионизаторов), рода сварочного тока и его полярности, а также от режима сварки.

Полнота завершения химических реакций при взаимодействии металла с защитной средой в дуге в значительной степени зависит также от величины поверхности контактирования взаимодействую-щих веществ (металла капель с газом или шлаком) и продолжитель-ности их контактирования, т. е. от размера капель, количества их образования в единицу времени и скорости перехода с электрода через дуговой промежуток в ванну, Это в свою очередь зависит от режима сварки -- силы сварочного тока и напряжения дуги.

Многочисленными опытами установлено, что с повышением сва-рочного тока средний размер капель электродного металла умень-шается, количество же расплавляемого металла в единицу времени (коэффициент расплавления) и удельная поверхность (отношение поверхности капли к ее объему) возрастают. Следовательно, общая продолжительность образования капли на конце электрода и ее перелета через дуговой промежуток в сварочную ванну с уве-личением тока значительно уменьшается. С повышением же напряжения дуги, наоборот, размер капель увеличивается, количество их в единицу времени уменьшается, средняя удельная поверхность капли также уменьшается, а продолжительность образования и пере-лета капли с электрода в ванну возрастает.

2.6 Другие способы сварки

Сварку угольным электродом применяют очень редко - при изготовлении тонкостенных неответственных конструкций. Это объясняется опасностью науглероживания шва и повышенным короблением изделий ввиду малой концентрированности угольной дуги как источника теплоты.
Перспективно для сварки высоколегированных сталей использование электронного луча. Возможность за один проход сварить без разделки кромок металл большой толщины с минимальной протяженностью околошовной зоны - важное технологическое преимущество этого способа. Однако и при этом способе возможно образование в шве и околошовной зоне горячих трещин и локальных разрушений. Наличие вакуума, способствуя удалению вредных примесей и газов, увеличивает испарение и полезных легирующих элементов. При глубоком и узком проваре часть газов может задержаться растущими кристаллами в шве и образовать поры. Сварка металла большой толщины затруднена из-за непостоянства глубины проплавления. Сложность и дороговизна аппаратуры и процесса определяют возможность применения электронно-лучевой сварки только при изготовлении ответственных конструкций.

Список литературы

1. Фролов В.В. «Теория сварочных процессов». Москва. Высшая школа. 1988г.

2. Лившиц Л.С. «Металловедение для сварщиков (сварка сталей)». Москва. Машиностроение. 1979г.

3. Петров Г.Л., Тумарев А.С. «Теория сварочных процессов (с основами физической химии)». Москва. Высшая школа. 1977г.

4. Геворгян Г.В. «Основы сварочного дела». Москва. Высшая школа. 1991г.

5. Соколов И.И. «Газовая сварка и резка металлов». Москва. Высшая школа. 1978г.

Размещено на Allbest.ru