Металлургические процессы при сварке Автор: преподаватель Головков Алексей Николаевич Еловский филиал ГБОУ СПО Осинский профессионально-педагогический колледж Занятие по дисциплине Оборудование и технология электрогазосварки

По своей природе сварка является металлургическим процессом. Металлургия сварки характеризуется теми физико-химическими процессами, которые протекают в сварочной зоне. Они определяются взаимодействием расплавленного металла со сварочными флюсами, шлаками и газами, а также охлаждением и кристаллизацией металла шва и превращениями основного металла в зоне термического влияния. Эти процессы протекают на всех стадиях дуговой сварки: в период плавления электрода, перехода капли жидкого металла через дуговой промежуток и в самой сварочной ванне

1. Малый объем сварочной ванны и в то же время достаточно большие относительные количества реагирующих фаз в ней. 2. Высокие температуры в различных областях сварочной зоны и большой перегрев расплава в ванне. 3. Движение жидкого металла, интенсивное перемешивание расплавленных продуктов и их непрерывное обновление и обмен в сварочной ванне. 4. Высокие скорости охлаждения и кристаллизации наплавленного металла.

При сварке проходят в основном следующие металлургические процессы: - окисление; - раскисление; - легирование; - рафинирование.

Окисление 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 недостаточной защите сварочной ванны окисление происходит за счет кислорода воздуха.

Окисление Кислород с железом образует оксиды: FeO, Fe 3 O 4, Fe 2 O 3. Наибольшую опасность для качества шва представляет оксид FeO, способный растворяться в жидком металле. Высшие оксиды железа не растворяются в жидком металле и, если они не успевают всплывать на поверхность сварочной ванны, то остаются в металле шва в виде шлаковых включений. Железо может окисляться также за счет кислорода, содержащегося в СО 2 и парах воды Н 2 О

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

Легирование Легирование – процесс введения в сплав элементов, придающих ему требуемые свойства. Путем легирования металла шва его пополняют элементами, содержание которых уменьшилось вследствие выгорания их при сварке. Легирующие элементы входят в состав проволоки электрода, его покрытие, во флюс. Чем лучше раскислен наплавленный металл, тем большее количество легирующего элемента им усваивается.

Рафинирование Рафинирование – это процесс удаления вредных примесей из сварного шва (сера, фосфор). Серу удаляют введением марганца, который образует химическое соединение (сернистый марганец), не растворимое в жидком металле, которое полностью переходит в шлак. Фосфор также в ходе химических реакций переходит в шлак.

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 Fe 2 N, Fe 4 N. 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. При охлаждении и кристаллизации сварочной ванны выделяющийся водород не успевает полностью удаляться из металла шва. Это приводит к образованию в нем 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.

Взаимодействие с серой Сера является вредной примесью в сталях. В сварочную ванну она попадает из основного металла, сварочной проволоки и иногда из покрытия электродов или флюса. В металле сера может находиться в виде соединений - сульфидов. Особо вреден сульфид железа FeS, хорошо растворимый в железе. Наличие в металле шва серы снижает его механические свойства и сильно повышает склонность к образованию трещин.

Взаимодействие с серой Десульфурация, очистка металла от серы, имеет целью уменьшение общего содержания серы в шве и особенно FeS. Десульфурацию проводят введением в сварочную ванну элементов, имеющих большее сродство к сере, чем железо. Образующийся сульфид элемента должен плохо растворяться в металле и хорошо в шлаке. Таким элементом является марганец, обладающий большим сродством к сере. Сульфид марганца не растворяется в металле, имеет малую плотность и легко всплывает в шлак сварочной ванны. Такого же эффекта достигают введением кальция.

Взаимодействие с фосфором Фосфор также вредная примесь в сталях. Пути попадания его в шов те же самые, что и для серы. В металле фосфор находится в виде соединений - фосфидов железа с температурой плавления много ниже, чем у железа (1170°С). Фосфор в металле шва располагается по границам зерен в виде легкоплавкой прослойки и приводит к сильной неоднородности металла, росту зерен и снижению пластичности, особенно при низких температурах, вызывая хладноломкость металла. Удаление фосфора проводят его окислением и последующим связыванием в прочное соединение, удаляемое в шлак.

1. АНО «Научный Центр внедрения телекоммуникационных технологий «Гражданская сеть» 2. Федеральный центр информационных образовательных ресурсов ФЦИОР Сварка и резка материалов: Учебное пособие. Ю. В. Казаков, М.Г. Козулин и др.; М.: Академия 4. Иллюстрированное пособие сварщика. Издательство «Соуэло», Москва, 2000 г.