Металлургические основы ручной дуговой сварки
Процесс образования сварного шва есть сложным металлургическим процессом.
Дуговая сварка как металлургический процесс имеет собственные особенности:
1. Происходит при больших температурах нагрева.
2. Протекает с громадной скоростью.
3. Характеризуется малыми количествами нагретого и расплавленного металла.
4. Расплавленный металл скоро охлаждается.
5. На расплавленный металл в зоне сварки интенсивно воздействуют шлаки и газы.
В зоне сварки металл нагревается существенно выше температуры плавления (до 2300 °С). Высокая температура существенно активизирует плавление электродного и главного металла, электродного покрытия. Небольшой количество расплавленного металла и громадная скорость охлаждения его обусловливают кратковременность химических процессов, исходя из этого они не всегда завершаются всецело.
затвердевания и Процессы кристаллизации расплавленного металла протекают с громадной скоростью. При большой температуре молекулы газов распадаются на атомы. В атомарном состоянии газы имеют высокую химическую активность, интенсивно растворяются в расплавленном металле.
Перечисленные изюминки металлургических процессов при сварке затрудняют получение сварных высококачественных швов . Особенно это относится к сплавам и металлам, чувствительным к охлаждению и быстрому нагреву, легко окисляющимся. Для сварки конструкций из сплавов и таких металлов приходится использовать режимы и специальную технологию, особые электроды, предварительный подогрев и последующую термообработку.
Главные химические процессы в зоне сварки. Разглядим их при сварке стали как самый распространенного промышленного металла (сплава). Состав металла шва зависит от состава электродного и главного металла, и от химических реакций, протекающих в зоне сварки. На ход и интенсивность этих реакций воздействует окружающая воздух, степень защиты территории сварки, состав электродных шлаков, режим сварки.
При большой температуре происходит выгорание и интенсивное испарение из стали отдельных элементов. В атомарном состоянии газы деятельно вступают в реакцию с расплавленным металлом, растворяются в нем. В следствии понижается пластичность и увеличивается хрупкость металла шва.
При сварке стали главной задачей есть получение сварного шва, свободного от примесей — кислорода, водорода, азота, фосфора и серы.
Влияние газов на металл шва. Присутствие кислорода в металле шва быстро снижает его механические характеристики: прочность, пластичность, ударную вязкость. Помимо этого, кислород содействует образованию пор, увеличивает красноломкость и хладноломкость, снижает стойкость металла шва против коррозии.
В зону сварки кислород попадает из окружающей воздуха, электродных покрытий, поверхностных окислов главного металла (ржавчина, окалина). Кислород вступает в соединения с элементами, входящими в состав металла шва, образуя окислы. При сварке стали окисляется железо, являющееся главным ее элементом. Другие элементы окисляются тем стремительнее, чем больше химическое сродство данного элемента с кислородом.
На степень окисления значительно влияет протяженность дуги в ходе сварки. При громадной длине дуги окисление металла происходит интенсивней благодаря более долгого контакта с окружающей воздухом расплавленного электродного металла.
Наличие водорода в сварном шве ведет к образованию трещин: и дефектов пористости, газовых пузырей и флокенов, т. е. маленьких ярких пятен с малой полостью в центре, видящихся на поверхности излома.
Водород попадает в зону сварки из жидкости, содержащейся н окружающей атмосфере, электродном покрытии, на свариваемых: кромках, и из органических компонентов некоторых электродных покрытий. Водород не вступает в соединения с расплавленным металлом, но в атомарном состоянии прекрасно растворяется в жидком металле.
Присутствие в металле шва азота содействует образованию пор, быстро снижает пластичность и ударную вязкость, повышая наряду с этим твёрдость и прочность (явление старения стали).
Азот в зону сварки попадает из окружающей воздуха. Атомарный азот растворяется в сварочной ванне. Вступая в химическое соединение с железом, азот образует нитриды.
На степень насыщения металла шва азотом влияет режим сварки, причем с повышением сварочного тока и уменьшением длины дуги содержание азота в сварном шве значительно уменьшается.
Мероприятия, предотвращающие насыщение шва газами.
Для предотвращения насыщения металла шва газами нужно строго делать следующие мероприятия:
1. Хранить электроды в сухих помещениях. Перед применением электроды должны быть шепетильно прокалены по режимам, указанным на этикетках пачек электродов.
2. Шепетильно очищать свариваемые кромки изделий от жидкости, остатков смазки, поверхностных окислов (ржавчина, окалина).
3. Место сварки защищать от осадков(ливень, снег). По возможности сварку изделий при низких температурах создавать в помещениях.
4. В ходе сварки поддерживать мельчайшую длину дуги.
5. При сварке толстого металла делать швы с минимальным числом проходов, т. к. наложение многопроходных швов содействует насыщению водородом нижележащих швов (слоев) в момент их расплавления последующими швами.
Влияние фосфора и серы на металл шва. фосфор и Сера являются крайне вредными примесями в металле шва, быстро снижающими уровень качества сварного соединения. фосфор и Сера в металл шва может попадать из главного и электродного металла, из электродах покрытий.
Чем меньше содержание фосфора и серы в баз-ком электродах и металле, тем выше их уровень качества.
В сварочной ванне сера вступает в соединение с железом, образуя сернистое железо. кристаллизации и Температура плавления сернистого железа ниже, чем у стали, исходя из этого оно при кристаллизации” сварочной ванны остается еще жидким в виде прослоек между кристаллами стали и есть одной из обстоятельств образования тёплых трещин по границам зерен — явление красноломкости стали.
Дабы уменьшить содержание серы в металле шва, в состав электродных покрытий вводят марганец (в виде ферросплавов) и кальций (в виде извести). Эти элементы имеют громадное сродство с серой и связывают ее в прочные соединения, переходящие шлак.
Присутствие фосфора в металле повышает его хрупкость в холодном состоянии. Фосфор содействует росту зерен в ходе кристаллизации сварочной ванны. В следствии понижается ударная вязкость и пластичность, появляется неоднородность структуры металла шва.
Это явление носит название хладноломкости стали.
Удаление фосфора из сварочной ванны осуществляется методом связывания его в прочные химические соединения, переходящие в шлак, при кальция окислов и помощи железа, содержащихся в электродных покрытиях.
Защита территории сварки. Для получения отличного сварного соединения нужно защитить территории сварки от окружающей воздуха (газов). Электродные покрытия снабжают газошлаковую защиту территории сварки.
Электродное покрытие, расплавляясь в ходе сварки, образует газ, окружающий территорию сварки, и шлак, обволакивающий капли расплавленного электродного металла и покрывающий сварочную ванну. шлак и Газ преграждают доступ окружающего воздуха в зону сварки. В состав покрытий вводятся компоненты, каковые снабжают в ходе сварки нужную металлургическую обработку сварочной ванны.
Раскисление сварочной ванны. Не обращая внимания на газошлаковую защиту территории сварки, некое количество газов попадает в сварочную ванну из окружающей воздуха, шлаков, поверхностных окислов главного металла (ржавчина, окалина). Электродное покрытие должно обеспечить удаление газов из сварочной ванны.
Самым нежелательным газом, проникающим в сварочную ванну из окружающей воздуха, есть кислород.
Процесс удаления кислорода из сварочной ванны с целью увеличения качества металла шва именуется раскислением. Раскисление осуществляется двумя методами: а) сотрудничеством расплавленного шлака и металла, б) введением в сварочную ванну эле-ментов-раскислителей. В качестве элементов-раскислителей значительно чаще применяют марганец, кремний, титан в виде ферросплавов (сплавов с железом), каковые входят в состав электродных покрытий и в сварочную проволоку (электродный стержень).
Благодаря раскислению и зоны газошлаковой защите сварки сварочной ванны при сварке современными штучными электродами Удается приобретать сварные швы высокого качества, прекрасно раскисленные, т. е. с малым содержанием кислорода.
Легирование металла шва. Легированием именуется процесс введения в сплав (сталь) элементов, придающих ему необходимые особенности. В ходе сварки легирование сварочной ванны производится с целью восстановления улучшения и химического состава механических и физических особенностей металла шва (наплавленного металла).
Процесс легирования сварочной ванны происходит в один момент с процессом раскисления.
Методом легирования металл шва пополняется элементами, содержание которых существенно уменьшилось благодаря выгорания их в ходе сварки. Для придания металлу шва особенных особенностей (повышенной прочности, твердости, жаростойкости и др.) его возможно легировать дополнительными элементами, отсутствующими по большей части металле.
Легирующими элементами в ходе сварки помогают марганец, кремний, никель, хром, титан, молибден и др. Эти элементы в виде ферросплавов входят в состав электродных покрытий и в сварочную проволоку (электродный стержень).
Чем лучше раскислен металл сварочной ванны, тем большее количество легирующих элементов им усваивается. Степень усвоения легирующих элементов зависит от рода, величины и полярности сварочного тока, длины дуги.
Рафинирование металла шва. Рафинирование — процесс освобождения металла сварочной ванны от шлаковых включений, окислов, вредных примесей, таких, как фосфора и соединения серы. Процесс рафинирования металла сварочной ванны происходит параллельно с легированием и раскислением.
Рафинирование сварочной ванны обеспечивается наличием слоя расплавленного шлака на ее поверхности. В следствии кристаллизация и охлаждение расплавленного металла происходят более замедленно и из него успевают выделиться шлаковые включения, окислы, пузырьки и вредные примеси газов.
Термический цикл сварки. Металл сварного шва испытывает большие температурные действия: нагрев до высокой температуры, плавление, остывание и затвердевание. Наровне со сварным швом температурным действиям — остыванию и нагреву — подвергается кроме этого околошовная территория главного металла.
Изменение температуры в ходе сварки в данной точке сварного шва либо околошовной территории именуется термическим циклом сварки. Термический цикл зависит от режима сварки. Регулируя остывания металла и скорости нагрева подбором режима сварки, возможно оказывать влияние на формирование структуры шва и околошовной территории и, следовательно, взять требуемое уровень качества сварного соединения.
Главными параметрами режима сварки, регулирующими термический цикл, являются величина погонной энергии дуги и начальная температура главного металла перед сваркой. С повышением погонной энергии дуги либо начальной температуры главного металла (предварительный подогрев) скорость охлаждения значительно уменьшается, что благоприятно воздействует на структуру сварного шва и околошовной территории главного металла.
Кристаллизация сварочной ванны. Кристаллизацией именуется процесс образования зерен (кристаллов) металла при переходе его из жидкого состояния в жёсткое. Различают первичную и вторичную кристаллизацию.
Условия протекания процесса первичной кристаллизации в значительной мере определяют свойства металла сварного шва.
Количество, расположение и форма зерен металла зависят от места зарождения центров кристаллизации, скорости роста зерен, направления отвода и скорости охлаждения тепла, и от наличия в расплавленном металле посторонних включений. В первоначальный момент кристаллизации появляется много зерен с неизвестной ориентировкой. Но скоро в силу соприкосновения граней соседних зерен рост тех из них, каковые расположены менее выгодно, заканчивается.
Потом увеличиваются лишь те, каковые расположены перпендикулярно поверхности раздела между жидким и жёстким металлом.
Чем стремительнее охлаждение расплавленного металла сварочной ванны, тем больше образуется центров кристаллизации и тем мельче будут зерна металла. При медленном охлаждении в ходе кристаллизации металл получает крупнозернистое строение. Форма сварного шва имеет значительное значение для расположения и направления кристаллизации посторонних включении.
При широких швах эти включения вытесняются наверх и легко удаляются. При узких сварных швах посторонние включения обычно остаются в шва между зернами. Первичная кристаллизация носит периодический волнообразный темперамент, т. е. расплавленный металл застывает не сходу по всему количеству, а отдельными порциями — слоями (волнами). Это подтверждается наличием кристаллизационных слоев, каковые возможно проследить на разрезе сварного шва по окончании особой обработки.
Волновой темперамент кристаллизации есть еще одной обстоятельством образования чешуйчатой поверхности сварного шва.
Для ручной дуговой сварки штучными электродами характерна гранулярная структура металла сварного шва, в то время, когда зерна не имеют определенной ориентировки, а по форме напоминают многогранники. Гранулярная структура возможно крупнозернистой и мелкозернистой. самая благоприятной структурой сварного шва в отношении механических особенностей есть гранулярная мелкозернистая структура.
В случае если расплавленный металл в ходе сварки был перегрет, то при охлаждении он образует зерна игольчатой формы, пересекающиеся между собой в разных направлениях. В следствии перегретый металл делается хрупким, прочность его быстро снижается.
Строение сварного соединения. Уровень качества сварного соединения значительно зависит от характера структуры его. Для изучения структуры сварных соединений изготовляют шлифы — образцы разреза сварного шва со намерено обработанной поверхностью (шлифовка, травление).
Шлифы подвергают металлографическому изучению, т. е. исследуют микроструктуру и макроструктуру.
При изучении макроструктуры, т. е. структуры, видимой невооруженным глазом либо при малом повышении, определяют темперамент кристаллизации, контуры провара, территорию термического влияния, ликвацию, неоднородность структуры металла, недостатки сварки. (Ликвацией именуется неоднородность состава и неравномерность размещения вредных примесей).
При изучении микроструктуры, т. е. структуры, выявляемой при сильном повышении под микроскопом, определяют размещение кристаллов, темперамент фазовых структурных превращений (вторичная кристаллизация), особенности отдельных структурны составляющих, наличие нитридов, микроскопических включений, трещин и пор.
Рис. 1. Главные территории сварного соединения:
А — территория главного металла; Б — территория термического влияния (околошовная); В — территория металла шва
Сварное соединение возможно поделить на три главные территории, имеющие разные микроструктуры: А — территория главного металла, Б — территория термического влияния, В—территория металла шва. Металл шва (наплавленный металл) имеет структуру литой стали.
Территорией термического влияния именуют прилегающий к шву участок главного металла (околошовная территория), в котором случились структурные фазовые превращения (изменение размера и формы зерен) благодаря нагрева в ходе сварки, до температуры выше критической (723 °С). При ручной дуговой сварке штучными электродами ширина территории термического влияния образовывает 3—6 мм. В большинстве случаев территория термического влияния имеет низкие механические особенности, исходя из этого уровень качества сварного соединения частично определяется протяжённостью и свойствами территории термического влияния.
Ширина территории термического влияния зависит от главных условий процесса сварки, условий отвода тепла от места сварки. При сварке среднеуглеродистых и низколегированных сталей, склонных к закалке, в зоне термического влияния вероятно образование трещин. Территория термического влияния имеет особенное значение при сварке особых легированных сталей, чувствительных к нагреву.
При сварке таких сталей вероятны как закалка с образованием жёстких трещин и структур, так и отжиг со понижением прочности металла на участке территории термического влияния. Для сварки таких сталей приходится использовать особые меры для трансформации теплового режима сварки (подогрев) и последующую термическую обработку сварных соединений.
Главный металл территории А, прилегающий к территории термического влияния, подвергается действию температур 723—500 °С. На .том участке структура стали не изменяется, а происходит только восстановление прошлой размеров и формы зерен, деформированных при прокатке стали. Данный процесс именуется рекристаллизацией.
