Каковы особенности протекания металлургических процессов в сварочной ванне кратко

Обновлено: 05.07.2024

Сварочная ванна образуется в результате расплавления и перемешивания металла заготовок, металла электрода (и присадочного материала). Сварочная ванна в своей передней части контактирует с газовой атмосферой дуги; в хвостовой части контактирует со слоем расплавленного шлака; по бокам контактирует с холодным твердым металлом заготовок.

Химический состав сварочной ванны определяется составом электрода (присадочного материала) и металлом заготовок. Конечный состав шва устанавливается после протекания металлургических процессов в каплях расплавленного металла и в сварочной ванне. Особенность протекания металлургических процессов при дуговой сварке заключается в высокой скорости их протекания и кратковременностью существования сварочной ванны. Металлургические процессы, протекающие в сварочной ванне условно можно разделить на три вида: взаимодействие расплава с газовой фазой; взаимодействие расплава и шлака; кристаллизация расплава.

Взаимодействие расплавленного металла с газовой фазой определяется составом газовой атмосферы дуги, около дугового пространства и химическими свойствами элементов, содержащихся в расплавленном металле. Атмосфера дуги и около дугового пространства со-

держит смесь следующих газов: кислород, водород, азот, СО, СО2; паров: воды, металлов и шлаков. Количественное соотношение газов зависит от вида сварки, способа защиты сварочной ванны. При высоких температурах дуги газы диссоциируют и переходят в атомарной состояние. При этом возрастает их химическая активность и способность к растворению в расплаве металлов. Кислород, водород, азот попадают в зону дуги из: воздуха; сварочной проволоки; покрытий электродов; флюсов и защитных газов. Дополнительным их источником могут служить: ржавчина, оксидные пленки, органические загрязнения и конденсат на поверхностях заготовок.

Кислород, взаимодействуя с расплавом, окисляет металлы, образуя оксиды. Оксид железа растворяется в металле шва и окисляет примеси и легирующие элементы, обладающие большим химическим сродством к кислороду (кремний, марганец, титан, хром, алюминий). Полученные оксиды нерастворимы в железе, и, обычно, переходят в шлак (но, частично, они могут остаться в сварном шве в виде неметаллических включений).

Водород хорошо растворяется в расплавленном металле, и плохо растворим в твердых фазах металла. Поэтому водород может быть причиной пористости сварного шва. С рядом легирующих металлов (титан, ниобий) водород вступает в химическое взаимодействие, образуя гидриды.

Азот растворяется в расплавленном металле. При концентрации азота выше предела растворимости, он вступает в химическую реакцию с легирующими элементами (титан, алюминий), образуя нитриды.

Взаимодействие металла с газовой фазой приводит к следующим последствиям: Выгоранию легкоокисляющихся легирующих элементов и снижению их содержания в сварном шве, по сравнению с содержанием в основном металле. Снижению прочностных парамет-

ров, а главное, пластических свойств, сварного шва. Образованию посторонних включений (твердых или газообразных) в сварном шве.

Уменьшить отрицательное влияние газовой атмосферы на свойства сварного шва возможно следующими способами: Созданием эффективной защиты дуги и сварочной ванны (покрытие электродов, флюсы, защитные газы, вакуум). Тщательной очисткой свариваемых поверхностей от окислов, жировых и т. п. пленок. Прокалкой сварочных материалов, осушкой защитных газов. Введением в состав сварочных материалов элементов — раскислителей, способных связать кислород в нерастворимые окислы (для железа — марганец, кремний, титан). Применением сварочных элементов, содержащих повышенное содержание легирующих элементов, выгорающих при сварке.

Взаимодействие расплавленного металла и шлака определяется химическим составом шлака и условиями перераспределения растворимых соединений между контактирующими жидкими фазами.

Одна из задач электродного покрытия и флюса — раскислить металл сварочной ванны, удалить из нее вредные примеси за счет связывания и перевода их в шлак в виде нерастворимых соединений. Следовательно, шлаки образуются в результате расплавления электродных покрытий и флюсов и их взаимодействия с расплавом и газовой атмосферой.

При сварке сталей, в качестве раскислителей используют марганец, и кремний которые восстанавливают окись железа. Нерастворимые оксиды марганца и кремния выводятся в шлак. Марганец, дополнительно, взаимодействует с растворенной в железе серой, связывая ее в тугоплавкий сульфид марганца. Через шлак можно дополнительно легировать сварной шов.

Кристаллизация сварного шва начинается от границ оплавленных зерен и протекает путем роста столбчатых кристаллов к центру шва. Оси кристаллов перпендикулярны к поверхности движущейся

сварочной ванны. Поэтому, кристаллы изгибаются и вытягиваются в направлении сварки.

Металлургические процессы при сварке — это процессы взаимодействия жидкого металла с газами и шлаками, которые происходят во время плавки электрода, при переходе капли жидкого металла по дуге, а также в самой ванне.

Рис. 1. Пример загрязнения в металле шва

Особенности сварочных металлургических процессов:

высокая температура нагрева металла;
небольшой объем сварочной ванны;
активное взаимодействие расплавленного металла с окружающей средой и шлаками;
кратковременность процесса.

Из за высокой температуры дуги и сварочной ванны происходит разложение (диссоциация) молекул кислорода, азота, водорода на атомы и ионы. В последствии чего газы в этом состоянии стают очень активными и вступают в химические соединения с металлом шва, ухудшая его пластичность.

Благодаря небольшому объему сварочной ванны, она быстро охлаждается. При этом создаются препятствия очистки металла от неметаллических включений и оксидов, которые не успели выйти на поверхность шва.

Активное взаимодействие расплавленного металла с окружающей средой и шлаками способствует дополнительному насыщению металла шва газами и шлаковыми включениями.

Кратковременность процесса сварки приводит к тому, что химические реакции между расплавленным металлом и шлаком не заканчиваются. Быстрая кристаллизация влияет на структуру и механические качества металла шва. Время от начала расплавления до застывания сварочной ванны составляет несколько секунд. За секунду металл охлаждается от 5 до 50 ℃.

Загрязнение металла шва

Металл шва насищается вредными веществами из окружающего воздуха, влажности, ржавчины, масла, которые входят в состав сварочных материалов, разных химических соединений, которые в свою очередь создаются при взаимодействии расплавленного металла с сварочными материалами.

Способы предотвращения загрязнения металла шва:

просушка сварочных материалов для удаления влажности, кислорода и водорода;
удаление ржавчины, масла и влажности с поверхности сварочных деталей;
создание газовой и шлаковой защиты дуги и сварочного металла;
раскисление — изменение оксида железа на нерастворимые соединения с последующим удалением в шлак (раскислители вводят в сварочную ванну через электродную проволоку, покрытие, флюсы). Раскислителями являются марганец, кремний, титан, алюминий, углерод и другие элементы;
рафинирование — удаление сульфидов, фосфидов, нитридов, водорода при помощи химических реакций и образования новых химических соединений, которые не растворяются в железе, а превращаются в шлак.

Легирование металла шва

Легирование — это процесс, при котором в металл шва вводятся разные элементы (хром, титан, никель, вольфрам, марганец, ванадий, молибден и др.), предоставляя ему необходимые свойства (прочность, вязкость, стойкость к коррозии и др.). Эти элементы могут вводиться в состав электродной проволоки, присадочного металла, электродного покрытия или флюса. Во время сварки легированные элементы частично выгорают и не полностью переходят в шов. Это необходимо учитывать при выборе марки электрода, присадочной проволоки, флюса.

Уменьшить отрицательное влияние газовой атмосферы на свойства сварного шва возможно следующими способами: Созданием эффективной защиты дуги и сварочной ванны (покрытие электродов, флюсы, защитные газы, вакуум). Тщательной очисткой свариваемых поверхностей от окислов, жировых и т. п. пленок. Прокалкой сварочных материалов, осушкой защитных газов. Введением в состав сварочных материалов элементов - раскислителей, способных связать кислород в нерастворимые окислы (для железа - марганец, кремний, титан). Применением сварочных элементов, содержащих повышенное содержание легирующих элементов, выгорающих при сварке.

Одна из задач электродного покрытия и флюса - раскислить металл сварочной ванны, удалить из нее вредные примеси за счет связывания и перевода их в шлак в виде нерастворимых соединений. Следовательно, шлаки образуются в результате расплавления электродных покрытий и флюсов и их взаимодействия с расплавом и газовой атмосферой.

сварочной ванны. Поэтому, кристаллы изгибаются и вытягиваются в направлении сварки.

Металлургические процессы при сварке протекают в зоне формирования сварочной ванны. Металлургию сварки характеризуют определенные физические и химические реакции, которые определяются взаимодействием плавящегося сплава со сварочными спецфлюсами, формирующимися в результате сварки шлаками и газами. Дополнительно в процессе проведения сварки происходят реакции, связанные со снижением температуры расплавленного сплава и кристаллизацией металла сварочной ванны.

Процесс плавления металла при скреплении деталей, с использованием специального инструмента, называется сваркой.

Физические и химические реакции, связанные с изменениями в металле, происходят на всех этапах осуществления дуговой электросварки. Основными этапами дуговой электросварки являются:

плавление электрода, используемого в процессе электросварки;
переход капель металла через электродуговой промежуток;
попадание сварочного металла в сварочную ванну.

Схема дуговой сварки.

В отличие от реакций общей металлургии, которые протекают в сталеплавильных агрегатах, условия плавления металлической заготовки и протекания всех реакций при электродуговой сварке сильно отличаются целым комплексом особенностей. Эти особенности влияют на развитие плавления и на конечный результат. Основные особенности металлургических процессов при сварке следующие:

небольшой объем зоны плавления;
высокие температурные показатели и перегрев расплавленных компонентов в ванне;
перемещение расплавленного сплава, его перемешивание и обновление;
высокая скорость снижения температуры и кристаллизации компонентов, входящих в состав сварочной ванны.

При таких условиях происходит интенсивное взаимодействие между компонентами сплава.

Реакции, возникающие при проведении электродуговой сварки

Среди огромного количества реакций, которые протекают в процессе осуществления электросварочных работ, основными являются следующие:

Схемы движения электрода при ручной дуговой сварке.

диссоциация образующихся газов и химсоединений;
окисление расплавленного металла;
раскисление компонентов сплава;
раскисление под действием марганца;
раскисление под воздействием кремния;
раскисление под влиянием титана;
раскисление под воздействием углерода;
взаимодействие с газообразным азотом;
химвзаимодействие с водородом;
взаимодействие с серой и фосфором.

Все эти химпроцессы, происходящие при сварке плавлением, в той или иной мере оказывают воздействие на качество сварного соединения.

Характеристика реакций при дуговой сварке

При диссоциации осуществляется распад сложных компонентов на отдельные атомы или составляющие части. Возникновению диссоциации способствует высокий температурный режим в зоне проведения сваривания и каталитическое действие металлического расплава. При проведении электродугового сваривания диссоциации подвергаются молекулы различных газов: кислорода, водорода и азота, дополнительно происходит распад углекислого газа, водяных паров и некоторых других.

В зависимости от условий проведения электродуговой сварки, получаемые при диссоциировании молекул водяного пара компоненты могут как восстанавливать, так и окислять компоненты сплава, присутствующие в сварочной ванне.

, присутствующий в составе флюса, также подвергается распаду. Получающийся свободный атом фтора связывает атомы водорода, препятствуя его растворению.

Принцип газовой сварки.

Окисление металлических компонентов происходит под влиянием газов, которые в процессе сваривания переходят в атомарное состояние. В первую очередь на процесс окисления огромное влияние оказывает атомарный кислород, получаемый из молекулярного, входящего в состав атмосферы, окисление металла снижает его качество. Дополнительно окислять атомы металла могут пары воды, которые в результате диссоциации образуют атомарный кислород. Получаемая при окислении окись двухвалентного железа, растворяясь в расплаве, резко снижает его физсвойства. При проведении дугового сваривания окислению подвергаются практически все компоненты, входящие в сталь заготовки, подвергаемой обработке.

Применяемая при проведении работы защита не всегда позволяет избежать окисления, поэтому для улучшения качества шва проводят раскисление компонентов сплава. Раскисление представляет собой восстановительный процесс, при котором осуществляется восстановление железа, содержащегося в электросварочной ванне. Образуемый при раскислении кислород переводится в металле в нерастворимые химсоединения. В качестве спецраскислителей применяется марганец, кремний, титан, алюминий и углерод. Раскислители вводятся в зону сваривания через проволоку, покрытие электросварочных электродов и флюсы.

Взаимодействие с азотом в атомарном состоянии возникает в процессе распада молекулярного газа при попадании в электросварочную дугу. Это ведет к синтезу нитридов, ухудшающих качество.

Взаимодействие с серой и фосфором понижает качество электросварного шва в области сваривания.

Физико-химические реакции, происходящие при проведении газосварки

Металлургические процессы при газовой сварке полностью зависят от состава сплава, вводимых в расплав добавок и состава газового пламени.

Способы и режимы газовой сварки: А — ванночками; Б — по отборочным кромкам.

При проведении газовой сварки осуществляется взаимодействие расплавленных компонентов сплава, находящихся в сварочной ванне с пламенем газовой горелки. Реакции, происходящие при взаимодействии, полностью определяются физическими и химическими свойствами металлического расплава и составом пламени горелки. Сваривание осуществляется в восстановительном секторе факела, который состоит из оксида углерода и водорода. Различные компоненты по-разному реагируют с пламенем факела. Легче всего происходит окисление компонентов расплава, которые имеют большое сродство к кислороду. Окисление осуществляется за счет участия оксидов, входящих в состав основного металла и присадочной проволоки, дополнительно на скорость окисления оказывает влияние кислород атмосферного воздуха. При увеличении концентрации кислорода происходит снижение качества сварного шва и ухудшение его мехсвойств. Для снижения воздействия окислителей при проведении газосварочных работ в присадки вводятся специальные химсоединения – раскислители.

Раскислители представляют собой химвещества, имеющие большее сродство к кислороду, нежели компоненты основного расплава, из которого формируется электросварной шов. При проведении сваривания стали раскисляющим действием обладает углерод, оксид двухвалентного углерода и водород, которые образуются в процессе горения сварочного пламени. Это позволяет производить сваривание углеродистых сталей без использования присадочных флюсов.

Образуемый при проведении сваривания оксид двухвалентного углерода вызывает кипение расплава. Во время кипения происходит удаление нежелательных включений из расплава. При осуществлении кипения в момент кристаллизации образуются пузырьки, что снижает качество газосварки. Для уменьшения этого эффекта вводятся марганец и кремний.

Влияние химсостава газосварочного пламени на окислительно-восстановительные реакции

Состав газосварочного пламени оказывает огромное влияние на химические и физические процессы, происходящие в расплаве при проведении газосваривания. В составе нормального ацетиленокислородного пламени в средней его части, имеющей восстановительную среду, содержится 60% оксида двухвалентного углерода и по 20% молекулярного и атомарного водорода. Основным восстановителем железа является водород в атомарном состоянии. Образуемые при газосварке окислы кремния и марганца не проникают в жидкий металл, а всплывают на его поверхности, превращаясь в шлак. В жидком расплаве содержится большое количество разных оксидов, которые взаимодействуют между собой. Результатом таких взаимодействий является формирование химических соединений с низкой температурой плавки, что позволяет значительно легче удалить окислы из состава расплава газосварочной ванны. Окислы удаляются в виде разных шлаков.

При проведении газосваривания латуни, меди или алюминия в зону сваривания вводятся разные добавки. Раскисление проводится углеродом, оксидом двухвалентного углерода и водородом. При проведении сварки пламя обеспечивает восстановление металла и защиту расплава от кислорода и азота атмосферы.

Читайте также: