Металлургические процессы при газовой сварке кратко

Обновлено: 30.06.2024

В процессе газовой сварки расплавленный металл сварочной ванны взаимодействует со сварочным пламенем. Это взаимодействие определяется свойствами свариваемого металла и составом сварочного пламени. Сваривают восстановительной зоной пламени, состоящей в основном из оксида углерода и водорода. Сварочная ванна характеризуется малым объемом расплавленного металла, высокой температурой в месте сварки и большой скоростью расплавления и кристаллизации металла.

Расплавленный металл ванны вступает во взаимодействие с газами сварочного пламени, в результате чего происходят реакции окисления и восстановления. Взаимодействие газов с различными металлами различно. Наиболее легко окисляются металлы, обладающие большим сродством к кислороду. Окисление расплавленного металла происходит как за счет оксидов, находящихся на поверхности свариваемого металла и присадочной проволоки, так и за счет кислорода окружающего воздуха. С увеличением содержания кислорода в свариваемом металле ухудшаются механические свойства сварного соединения. Поэтому при газовой сварке для большинства металлов и сплавов для устранения окислительных процессов в присадочные материалы и флюсы вводят специальные раскислители.

Раскислители вещества, которые имеют большее сродство к кислороду, чем металл шва.

При газовой сварке стали раскисляющее действие оказывают углерод, оксид углерода и водорода, образующиеся при горении газовой смеси, подаваемой в сварочную горелку. Поэтому углеродистые стали можно сваривать без флюсов. Таким образом углерод (С), кремний (Si) и марганец (Мn) выполняют функции раскислители. Образующийся в процессе реакции оксид углерода вызывает кипение и разбрызгивание металла. Кипение сварочной ванны до начала кристаллизации способствует удалению посторонних металлических включений. Если металл кипит во время кристаллизации шва, то образующиеся пузыри оксида углерода не успевают выделяться и остаются в шве в виде газовых пор. Для уменьшения образования оксида углерода в сварочную ванну вводят раскислители (Мn и Si). На процесс окисления при сварке металлов большое влияние оказывает состав сварочного пламени. Образующиеся в процессе реакций оксиды кремния и марганца не растворяются в металле, всплывают на поверхность жидкого металла и переходят в шлаки. В жидком металле шва находится много разнородных оксидов, между которыми происходят химические реакции. В результате этих реакций образуются соединения с более низкой температурой плавления, чем сами оксиды, что облегчает удаление оксидов из расплавленного металла в виде шлака.

При газовой сварке алюминия, латуни и других металлов вводят флюсы, в состав которых входят компоненты, способствующие образованию легкоплавких соединений. Раскисление сварочной ванны частично осуществляется углеродом, оксидом углерода и водородом, имеющимися в сварочном пламени. При этом сварочное пламя не только восстанавливает оксиды но и защищает расплавленный металл от кислорода и азота воздуха. Нормальное ацетиленокислородное пламя в средней (восстановительной) зоне содержит 60% оксида углерода, 20% молекулярного и 20% атомарного водорода. Восстановителем железа из закиси железа в основном является атомарный водород. Он растворяется в расплавленном металле, а с понижением температуры стремится выделиться из сварочной ванны. Если затвердевание происходит достаточно быстро, то водород в виде газовых пузырей может остаться в сварном шве. Следовательно, водород, с одной стороны, защищает расплавленный металл от окисления, а также восстанавливает его из оксидов, а с другой стороны, может явиться причиной образования пористости и трещин.

Рисунок 1 - Схема химической неоднородности по слоям кристаллизации в сварных швах

Процесс газовой сварки характеризуется относительно медленным охлаждением металла, поэтому водород и другие газы успевают выделиться из сварочной ванны и металл шва получается без пор. Поступающий в сварочную ванну азот воздуха снижает пластические свойства свариваемого металла, а также вызывает пористость в металле шва.

Кристаллизация металла шва

Процесс образования сварного соединения начинается с нагрева и расплавления основного и присадочного металлов.

Кристаллизация процесс образования зерен из расплавленного металла при переходе его из жидкого состояния в твердое

Процесс кристаллизации сварных швов отличается от кристаллизации слитков высокими скоростями. Различают первичную и вторичную кристаллизации. Первичная кристаллизация осуществляется при высоких скоростях охлаждения, вторичная начинается с распада первичной в результате структурных превращений и заканчивается при низких температурах. Как и во всех случаях сварки плавлением кристаллизация металла шва осуществляется на зернах основного металла. Более медленный прогрев при газовой сварке основного металла приводит к большему росту зерен нерасплавленных кромок металла, а следовательно, и уменьшению количества центров кристаллизации формирующегося шва. Процесс кристаллизации сварных швов осуществляется прерывисто, этим и объясняется появление кристаллизационных слоев. Чем сильнее тепло-отвод и меньше объем жидкого металла, тем тоньше кристаллизационный слой. Кристаллизационные слои можно рассмотреть на специально изготовленных макрошлифах в любом сечении шва. Первый участок возникает в результате кристаллизации тонкой прослойки жидкого металла, примыкающей к оплавленной поверхности. Второй участок кристаллизуется из жидкого металла исходного материала.

Металлургические процессы при газовой сварке характеризуются следующими особенностями: малым объемом ванны расплавленного металла; высокой температурой и концентрацией тепла в месте сварки; Большой скоростью расплавления и остывания метла; интенсивным перемешиванием металла гладкой ванны газовым потоком пламени и присадочной проволокой; химическим взаимодействием расплавленного металла с газами пламени.

Основными в сварочной ванне являются реакции окисления и восстановления. Наиболее легко окисляются магний, алюминий, обладающие большим сродством к кислороду.

Кислы этих металлов не восстанавливаются водородом и окисью углерода, поэтому при сварке металлов необходимы специальные флюсы. Окислы железа и никеля, наоборот хорошо восстанавливаются окисью углерода и водородом пламени, поэтому при газовой сварке этих металлов флюсы не нужны.

Водород способен хорошо растворятся в жидком железе. При быстром остывании сварочной ванны он может остаться в шве в виде мелких газовых пузырей. Однако газовая сварка обеспечивает более медленное охлаждение металла по сравнению, например с дуговой. Поэтому при газовой сварке углеродистой стали, весь водород успевает уйти из металла шва и последний получится плотным.

Структурные изменения в металле при газовой сварке

В следствии более медленного нагрева зона влияния при газовой сварке больше чем при дуговой.

Слои основного металла, непосредственно примыкающие к сварочной ванне непрерывны и приобретают крупнозернистую структуру. В непосредственной близости к границе шва находится зона неполного расплавления. Основного металла с крупной структурой, характерной для ненагретого металла. В этой зоне прочность металла ниже, чем прочность металла шва, поэтому здесь обычно и происходит разрушение сварного соедениения.

Далее расположен участок, нерекристализации характеризуемы так же крупнозернистой структурой, для которого t o плавления металла, не выше 1100-1200С. Последующие участки нагреваются до более низких температур и имеют мелкозернистую структуру, нормализованной стали.

Для улучшения структуры и свойств металла шва и околошовной зоны иногда применяют горячую проковку шва и местную термообработку нагревом сварочным пламенем или общую термообработку с нагревом в печи.

Особенности и режимы сварки различных металлов

Сварка углеродистых сталей

Низкоуглеродистые стали можно сварить любым способом газовой сварки. Пламя горелки должно быть нормальным, мощностью 100-130дм 3/ч при правой сварке.

Сварка легированных сталей

Легированные стали хуже проводят тепло чем низкоуглеродистая сталь, и поэтому больше коробятся при сварке.

Низколегированные стали (например XCHД) хорошо свариваются газовой сваркой. При сварке применяют нормальное пламя и проволоку СВ-0.8, СВ-08А или СВ-10Г2

Хромоникелевые нержавеющие стали сваривают нормальным пламенем мощностью 75дм 3 ацетилена на 1мм толщины металла. Применяют проволоку СВ-02Х10Н9, СВ-06-Х19Н9Т. При сварке жаропрочной нержавеющей стали, применяют проволоку содержащую 21% никеля 25% хрома.

Сварка чугуна

Чугун сваривают при исправлении дефектов отливок, а так же восстановлении и ремонте деталей: заварке трещин, раковин, при варке отколовшихся частей и пр.

Сварочное пламя должно быть нормальным или науглероживающим, так как окислительное вызывает местное выгорание кремния, и в металле шва образуются зерна белого чугуна.

Сварка меди

Медь обладает высокой теплопроводностью, поэтому при ее сварке к месту расплавления металла приходится проводить большое количество тепла, чем при сварке стали.

Одним из свойств меди затрудняющим сварку, является ее повышенная текучесть в расплавленном состоянии. Поэтому при сварке меди не оставляют зазора между кромками. В качестве присадочного металла используют проволоку из чистой меди. Для раскисления меди и удаления шлака применяют флюсы.

Сварка латуни и бронзы

Сварка латуни. Газовую сварку широко используют для сварки латуни, которая труднее поддается сварке электрической дугой. Основное затруднение при сварке состоит в значительном испарении из латуни цинка, которое начинается при 900С. Если латунь перегреть, то вследствие испарения цинка, шов получится пористым. При газовой сварке может испаряется до 25% содержащегося в латуни цинка.

Для уменьшения испарения цинка сварку латуни ведут пламени с избытком кислорода до 30-40%. В качестве присадочного металла используют латунную проволоку. В качестве флюсов применяют прокаленную буру или газообразный флюс БМ-1

Сварка бронзы

Газовую сварку бронзы применяют при ремонте литых изделий из бронзы, наплавке работающих на трение поверхностей деталей слоем антифрикционных бронзовых сплавов и пр.

Сварочное пламя должно иметь восстановительный характер, так как при окислительном пламени увеличиваются выгорание из бронзы олова, кремния, алюминия. В качестве присадочного материала используют прутки или проволоку, близкие по составу к свариваемому металлу. Для раскисления в присадочную проволоку вводят до 0.4% кремния.

Для защиты металла от окисления и удаления окислов в шлаки применяют флюсы тех же составов, что и при сварке меди и латуни.

Список литературы

Глизманенко Д.А. Газовая сварка и резка металлов.-М.: Высш. школа, 1969.-304с.

Структурные изменения в металле при газовой сварке

В следствии более медленного нагрева зона влияния при газовой сварке больше чем при дуговой.

Особенности и режимы сварки различных металлов

Сварка углеродистых сталей

Сварка легированных сталей

Легированные стали хуже проводят тепло чем низкоуглеродистая сталь, и поэтому больше коробятся при сварке.

Сварка чугуна

Сварка меди

Сварка латуни и бронзы

Сварка бронзы

Список литературы

Глизманенко Д.А. Газовая сварка и резка металлов.-М.: Высш. школа, 1969.-304с.

В процессе сварки металл соприкасается с газами пламени, а вне пламени - с окружающей средой, обычно с воздухом. В результате этого взаимодействия металл подвергается изменениям, характер которых зависит от свойств металла, способа и режима сварки.

Наибольшим изменениям подвергается металл, расплавляющийся в процессе сварки. При этом изменяется содержание примесей и легирующих добавок в металле, а также может происходить обогащение его кислородом, а при некоторых условиях - водородом, азотом и углеродом (см. § 18). Так, при сварке стали, представляющей собой сплав железа с углеродом с присутствующими в виде примесей и добавок Mn, Si, S, Р, общая схема реакций в жидком металле сварочной ванны имеет вид, представленный на рис. 38.

Поступающая с кромок расплавляемого металла, а также образующаяся на поверхности жидкого металла закись железа растворяется в ванне и реагирует с различными элементами внутри сварочной ванны:

FeO + С = Fe + СО - 37,3 ккал/г·мол;

2FeO + Si = 2Fe + SiO₂ + 63 ккал/г·мол;

FeO + Mn = Fe + MnO + 2,4 ккал/г·мол.

Вероятность протекания реакций раскисления в сварочной ванне определяется сродством различных элементов к кислороду и их количеством в сварочной ванне.

Обладая в конкретных условиях большим сродством к кислороду, чем железо, Mn, Si и С в реакциях (приведенных выше) могут связывать в сварочной ванне кислород: удалять его либо в виде газообразного продукта СО, либо неметаллических жидких или твердых соединений МпО, SiО₂ и др. В металле ванны при этом уменьшается содержание кислорода - происходит раскисление. Такое раскисление называется осаждающим.

По мере уменьшения количества раскислителя в жидком металле вероятность его соединения с кислородом уменьшается и равновесное ему содержание кислорода увеличивается. Так, применительно к реакции (FeO + Mn = Fe + MnO + 2,4 ккал/г·мол) связь между равновесными количествами раскислителя Мn и закисью железа FeO (а следовательно, и кислорода в жидком металле) определяется формулой

[FeO] [Mn] = K = const

Качественно зависимость конечного содержания закиси железа (кислорода) в сварочной ванне при какой-то температуре показана на рис. 39.

На конечное содержание кислорода в ванне также будут влиять и количества Si, С, А1 и других раскислителей. При изменении температуры эта зависимость может смещаться либо в сторону ослабления действия раскислителя (вправо вверх), либо в сторону усиления его действия (влево вниз). Так, для экзотермических реакций раскисления марганцем и кремнием повышение температуры (+AТ) смeщает зависимость вправо вверх, при понижении температуры (-AT) - влево вниз. Углерод, дающий эндотермическую реакцию, при изменении температуры смещает эту зависимость в обратных направлениях.

В целом увеличение количества раскислителей в ванне способствует ее освобождению от кислорода. Это обстоятельство следует учитывать при сварке таких металлов, в составе которых раскислители практически отсутствуют (чистой меди, никеля высокой чистоты и др.), что приводит к возможности значительного окисления ванны при сварке.

Основным способом введения раскислителей для осаждающего раскисления является применение присадочного металла, содержащего такие составляющие. Так, например, в присадочный металл для сварки сталей обычно вводят повышенные по сравнению со свариваемым металлом количества Мn или Мn и Si.

При сварке нежелезных металлов и сплавов применяются и другие раскислители.

При сварке следует учитывать влияние водорода. При охлаждении сварочной ванны в расплавленном металле растворяется атомарный водород, который по мере понижения температуры стремится выделиться из раствора (рис. 40). Если охлаждение металла и затвердевание (кристаллизация) происходят достаточно быстро, выделившийся водород в виде отдельных газовых пузырей (обычно на дне ванны или на неметаллических включениях, находящихся в ванне) приводит к пористости или увеличивает поры, полученные от образования в ванне СО по реакции (первой). При дальнейшем охлаждении металла водород продолжает выделяться в оставшиеся полости и пустоты у границ зерен, создавая возможность разрыва спайности зерен. Это приводит к пороку - флокенам, особенно при сварке легированных закаливающихся сталей, а иногда и при сварке углеродистых сталей с несколько повышенным содержанием углерода.

При реакции водорода с окислами металлов в процессе кристаллизации могут также образовываться нерастворимые в металле пары воды:

Это приводит к появлению внутренних надрывов (водородной болезни) и ухудшению механических свойств металла.

В пламени могут присутствовать SО₂ или Р₂О₅, которые, взаимодействуя с расплавленным металлом, увеличивают в нем содержание S и Р, что может быть весьма вредным (в частности, увеличение содержания S приводит при кристаллизации к образованию горячих трещин). Поэтому при сварке металлов, чувствительных к таким загрязнениям (например, Ni в отношении S), количество вредных примесей в пламени необходимо сводить к минимуму, применяя только очищенный ацетилен.

Флюсы

В ряде случаев количество окислов, получающихся при сварке или пайке металлов, является столь значительным, что мешает получению хорошего сварного (или паяного) соединения.

С целью получения качественных соединений в таких случаях применяют флюсы. Флюсы - это вещества, которые вводятся в реакционное пространство при выполнении сварки или пайки для предотвращения окисления кромок твердого металла, извлечения из жидкого металла окислов и неметаллических включений, а иногда и для частичного ввода в расплавленный металл благоприятно действующих элементов. Будучи в основной своей части нерастворимыми в металле, расплавленные флюсы образуют на поверхности металла пленку шлака, предохраняющую его от непосредственного воздействия газов пламени и воздуха.

Освобождение металла от окислов воздействием флюса может быть осуществлено посредством физического растворения окислов, химического связывания окислов в комплексные соединения и введения посредством флюса раскислителей.

Принцип физического растворения можно представить следующим образом. Если расплавленный металл покрыт шлаком, состоящим из окисла этого же металла, то количество растворенного окисла в металле определяется константой распределения. Для каждого конкретного металла (Me) такая константа применительно к равновесию системы для постоянных условий (температуры жидкого металла и шлака) имеет определенную величину. Эта величина константы (L_MeO) определяется отношением концентрации свободного окисла в шлаке (МеО)_ш и его концентрации в расплавленном металле [МеО]м

В этом случае любая добавка к шлаку (даже инертной примеси) уменьшит концентрацию (МеО)_ш, и часть окислов из металла перейдет в шлак, уменьшая соответственно [МеО]_м. В качестве таких физических растворителей используется ряд галлоидных солей: CaF₂, NaF и др.

Большое значение имеет химическое связывание растворимых в металле вредных окислов в комплексные нерастворимые в металле желательно более легкоплавкие соединения и соли. Так, FeO растворим в расплавленном Fe и оказывает вредное действие на металл. Являясь основным окислом, FeO может образовывать комплексные соединения с кислыми окислами, например с SiО₂;

Эти комплексные соли нерастворимы в металле и уходят в шлак. Таким образом происходит раскисление металла, которое называется диффузионным.

Для того чтобы связать большее количество окислов основного типа, необходимо во флюсе (шлаке) иметь также большее количество свободных кислых окислов, а образующиеся комплексные соединения должны быть достаточно стойкими, не распадаться, не диссоциировать.

При газовой сварке и пайке в целях интенсификации связывания основных окислов (FeO, Cu₂О и др.) в комплексные соединения обычно используют не относительно тугоплавкий кислый окисел SiО₂, а окись бора В₂О₃. Для этого в состав флюсов вводят борную кислоту Н₃ВO₃.

Если при сварке сплава (например, чугуна) образуется значительное количество кислых окислов (SiО₂ при окислении Si), то для их связывания надо вводить сильные основные окислы - основания (К₂О, Na₂О и др.). С этой точки зрения полезно введение в качестве флюса буры (Na₂B₄0₇), которая при разложении выделяет Na₂О.

В качестве основных флюсов также используются углекислые соли натрия и калия. Связывание кислых окислов можно видеть на примере следующей реакции:

Введение раскислителей посредством флюсов имеет место, например, при сварке меди, когда применяются фосфорнокислые легко распадающиеся при сварочных температурах соли. Освобожденный при этом фосфор восстанавливает окислы меди.

При сварке Al, Mg и сплавов на их основе раскислить окислы практически не удается, и для удаления А1₂0₃ и MgO применяются флюсы на базе галлоидных соединений щелочных металлов. Для того чтобы флюсы были достаточно активными при температурах процесса сварки (или пайки), они должны находиться либо в газообразном, либо в жидком состоянии, т. е. должны иметь температуру плавления ниже температуры процесса сварки (пайки).

Флюсы вводятся в реакционное пространство непосредственно (насыпаются рукой или ложкой) либо предварительно наносятся на кромки основного металла в виде раствора или пасты, либо вводятся совместно с присадочным металлом или припоем. Разработаны специальные устройства (например, КПФ-1-56 с горелкой ГАФ-1-56) для пневматической подачи порошкообразного флюса непосредственно в пламя.

Для сварки, наплавки и пайки некоторых цветных металлов и сплавов разработаны газообразные флюсы, представляющие собой легко испаряющуюся борорганическую жидкость, которая в виде дозированного количества паров смешивается с горючим газом, при его пропускании через бачок с жидкостью. В этом случае применяется специальная установка К.ГФ-1.

Флюсы, как правило, замедляют сварку, увеличивают ее стоимость и поэтому должны применяться только в тех случаях, когда без них нельзя получить доброкачественных соединений.

Кристаллизация и перекристаллизация металла шва и околошовной зоны

В процессе газовой сварки кроме расплавления металла сварочной ванны происходит нагрев и основного свариваемого металла до достаточно высоких температур, приближающихся к температуре плавления на границе раздела со сварочной ванной. Поэтому при сварке одновременно происходит ряд сложных процессов, связанных:

1) с расплавлением металла, его взаимодействием с газами и шлаками, а также последующей кристаллизацией;

2) с нагревом и охлаждением металла в твердом состоянии как в пределах шва, так и в основном металле, в зонах, прилегающих к шву.

Несмотря на замедленную кристаллизацию ванны при газовой сварке ликвация в металле шва почти отсутствует, хотя некоторая слоистость в расположении ликвирующих примесей имеет место. В связи с этим химический состав металла сварного шва в различных микрообъемах при сварке в один проход можно считать примерно равномерным. Средний химический состав шва может быть определен по формуле:

где [Х]_м.ш, [Х]_0.м, [Х]_пр - концентрация элемента X соответственно в металле шва, основном металле и присадочном;

m - доля расплавленного основного металла в металле шва (рис. 41),

n - доля наплавленного присадочного металла в металле шва.

В связи с относительно незначительным окислительным влиянием газового пламени на выгорание различных примесей в металле формула (44) позволяет достаточно точно определить средний химический состав шва по всем элементам, кроме имеющих весьма большое сродство к кислороду (например, Al, Ti, С и в некоторой степени Si при сварке стали), содержание которых в шве обычно оказывается ниже, чем рассчитанное по формуле (44).

Закристаллизовавшийся металл сварочной ванны, образующий металл шва, имеет структуру литого металла с вытянутыми достаточно крупными кристаллитами, направленными от зерен-подкладок основного металла к центру шва.

Микроструктура металла швов, кроме того, зависит и от вторичных процессов перекристаллизации, определяемых как составом металла, так и скоростью его охлаждения после затвердевания.

Металл, не расплавлявшийся при сварке, т. е. оставшийся при сварке в твердом состоянии, но нагревавшийся до тех или иных температур, как правило, в определенной зоне меняет свою структуру. Всю область основного металла, изменившего в результате сварки свою структуру и свойства, называют зоной термического воздействия.

Рассмотрим как типичный случай изменение структуры в зоне термического воздействия при сварке углеродистых и низколегированных сталей. Всю зону термического воздействия (влияния) можно разделить на ряд участков, характеризуемых различными структурами, определяемыми главным образом их максимальной температурой нагрева в условиях сварки.

Общая схема изменения структуры основного металла углеродистой стали с содержанием углерода -0,2% в зоне термического влияния показана на рис. 42. Изменения структуры связаны с диаграммой состояния Fe-С и кривой максимальных температур, достигаемых различными участками этой зоны при сварке.

Непосредственно к металлу шва прилегает участок зоны термического влияния, в котором металл нагревался ниже температуры ликвидус (температура полного перехода металла в жидкое состояние) и выше температуры солидус (температура появления начальных порций жидкости в твердом металле), т. е. при сварке металл в этом участке находился в двухфазном твердо-жидком состоянии. Ширина этого участка неполного расплавления зависит от температурного перепада солидус-ликвидус и интенсивности спада максимальных температур от шва в околошовную зону. При газовой сварке низкоуглеродистых сталей она составляет около 0,2 мм, а для стали, содержащей около 0,5% С, примерно 0,6 мм. Этот участок имеет, как правило, крупнозернистую структуру с видманштедтовой ориентацией ферритных выделений. По существу этот участок является переходным от металла шва к основному и его называют зоной или (при малой его ширине) границей сплавления.

Следующий за ним участок перегрева характеризует область металла, который не расплавлялся, но нагревался до температур, близких к солидусу (например, при сварке сталей выше 1100- 1200° С). Здесь происходит процесс перекристаллизации металла в твердом состоянии, и обычно этот участок имеет также крупнозернистое строение (даже у закаливающихся при сварке сплавов зерна неравновесной структуры в этой зоне являются достаточно грубыми).

Ширина этого участка при газовой сварке значительно больше, чем при дуговой сварке.

При сварке незакаливающихся сталей участок перегрева постепенно переходит в участок нормализации. Структура здесь дезориентирована даже при сварке прокатанного металла и мелкозернистая. При сварке сталей с малой критической скоростью охлаждения (закалки) этот участок и участки, расположенные ближе к шву, обычно имеют структуру закаленного металла и обладают относительно низкой пластичностью.

Еще дальше от шва расположен участок неполной перекристаллизации, имеющий в незакаливающихся сталях структуру с некоторым измельчением перлитных образований, а в закаливающихся - структуру неполной закалки.

Общая ширина участков околошовной зоны при газовой сварке сталей составляет примерно от 8 мм (при сварке металла малой толщины) до 25 - 28 мм (при сварке металла средних и больших толщин). Металл околошовной зоны в связи с изменением структуры в различных участках имеет различные механические свойства.

При сварке металла с напряженной структурой зона изменения структуры и свойств, как правило, распространяется в область и более низких температур и, следовательно, имеет еще большую ширину. Так, при сварке холоднокатаных сталей или холодно-штампованных деталей появляется участок рекристаллизации, ограничиваемый температурой нагрева около 500°С. Металл в этом участке крупнозернистый и легче разрушается, чем металл соседних зон.

При сварке предварительно закаленных деталей сварочный нагрев приводит к отпуску. Ширина участка отпуска закаленных сталей при сварке ограничивается температурой нагрева 200- 250° С. В этой зоне исходные свойства закаленного основного металла несколько снижаются.

Характер изменения структур других металлов и сплавов зависит от их состава, диаграммы состояния и состояния металла перед сваркой. Так, например, при сварке металлов и сплавов, не имеющих аллотропных превращений при нагреве до температур плавления и охлаждения, зона термического влияния характеризуется постепенным укрупнением зерна по мере увеличения максимальных температур при выполнении сварки (т. е. от основного металла к границе сплавления). Иногда в зоне термического влияния выпадают особые фазы-карбиды, интерметаллиды и пр.

Для улучшения структуры и свойств сварных соединений, выполненных газовой сваркой, в некоторых случаях применяется термомеханическая обработка (обычно горячая проковка швов) и общая или местная термообработка. Местная термообработка часто производится с применением нагрева пламенем той же сварочной горелки.

Автор: Администрация

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

Металлургические процессы при газовой сварке характеризуются следующими особенностями: малым объемом ванны расплавленного металла; высокой температурой и концентрацией тепла в месте сварки; большой скоростью расплавления и остывания металла; интенсивным перемешиванием металла жидкой ванны газовым потоком пламени и присадочной проволокой; химическим взаимодействием расплавленного металла с газами пламени.

В восстановительной (средней) зоне пламени, состоящей из окиси углерода СО и водорода Н ₂ , могут также присутствовать следующие вещества: пары воды Н ₂ 0, углекислый. газ СО ₂ , азот N ₂ , атомарный водород Н и свободный углерод С. Однако содержание этих веществ в средней зоне невелико и их можно не принимать во внимание при рассмотрении реакций взаимодействия между металлом и газами пламени.

Основными в сварочной ванне являются реакции окисления и восстановления. Наиболее легко окисляются магний, алюминий, обладающие большим сродством к кислороду. Окислы этих металлов не восстанавливаются водородом и окисью углерода, поэтому при сварке этих металлов необходимы специальные флюсы. Окислы железа и никеля, наоборот, хорошо восстанавливаются окисью углерода и водородом пламени, поэтому при газовой сварке этих металлов флюсы не нужны.

При избытке в пламени исходят реакции окисления железа, углерода кремния по уравнениям:

Растворенная в железе

Образующаяся закись железа FеО может окислять марганец, кремний и углерод по реакциям:

Растворенные в железе

Так как образующиеся окислы МnО и SiO ₂ переходят в шлак, то количество раскислителей (марганца и кремния) в металле шва уменьшается. Это может привести к появлению избытка кислорода в наплавленном металле и ухудшению его механических свойств.

Растворенные в железе

При выходе окиси углерода из сварочной ванны происходит кипение и разбрызгивание металла.

При отсутствии избытка кислорода и восстановительном характере пламени в сварочной ванне будут протекать реакции восстановления, обратные приведенным выше, а именно :

Восстановление железа окисью углерода:

Растворенная в железе

Восстановление железа водородом:

Растворенная в железе

Водород способен хорошо растворяться в жидком железе. При быстром остывании сварочной ванны он может остаться в шве в виде мелких газовых пузырей. Однако газовая сварка обеспечивает более медленное охлаждение металла по сравнению, например, с дуговой сваркой. Поэтому при газовой сварке углеродистой стали весь водород успевает выделиться из металла шва и последний получается плотным.

Восстановление железа из его закиси FеО производится марганцем и кремнием в сварочной ванне по приведенным выше реакциям окисления этих примесей кислородом закиси железа, растворенной в жидком металле.

Если в пламени имеется избыток углерода, то он может переходить в металл и науглероживать его по реакциям:

Растворенный в железе

Свободный углерод образуется в пламени при разложении ацетилена по реакции С ₂ Н ₂ ->2С+Н ₂ .

Структурные изменения в металле при газовой сварке. Вследствие более медленного (по сравнению с дуговой сваркой) нагрева зона влияния при газовой сварке больше, чем при дуговой.

Слои основного металла, непосредственно примыкающие к сварочной ванне, перегреты и приобретают крупнозернистую структуру. Крупнозернистое строение получает и металл шва, кристаллизующийся на крупных зернах застывающего металла кромок. В непосредственной близости к границе шва находится зона неполного расплавления основного металла с крупнозернистой структурой, характерной для перегретого металла. В этой зоне прочность металла ниже, чем прочность металла шва, поэтому здесь обычно и происходит разрушение сварного соединения.

Далее расположен участок перекристаллизации, характеризуемый также крупнозернистой структурой, для которого температура нагрева была ниже температуры плавления металла, но выше 1100-1200°С (при сварке стали).

Последующие участки нагреваются до более низких температур и имеют мелкозернистую структуру нормализованной стали. Если содержание углерода в стали более 0‚3%‚ то в этой части зоны теплового влияния возможно образование более твердых и хрупких закалочных структур.

Читайте также: