2.Особенности металлургических процессов при различных видах сварки

Способы защиты сварочной зоны от воздушной среды

Сварка плавлением – высокотемпературный процесс, сопровождающийся изменением состава металла сварного соединения. Высокая востановительная активность металлов приводит к образованию оксидов, нитридов, гидратов и пр. Скорость химических реакций и диффузионных процессов очень высока. Это приводит к существенному изменению состава металла шва. Для получения качественного сварного соединения разработаны надежные методы защиты сварочной зоны от атмосферы.

Существуют четыре способа защиты зоны сварки: шлаковая защита, газовая защита, газошлаковая защита, вакуумная защита.

Шлаковая защита сварочной ванны реализуется при механизированной сварке под слоем флюса. Давление дуги и газовых потоков внутри флюсового пузыря больше атмосферного.

Для получения сварных соединений высокого качества необходимо правильно выбрать состав сварочного флюса и марку сварочной проволоки.

При сварке под флюсом используются различные флюсы: плавленные, получаемые сплавлением в печах, входящих в них компонентов, которые гранулируются вплавлением в воду и керамические, получаемые смешиванием компонентов между собой механически и соединенных чаще всего жидким стеклом. Керамические флюсы могут содержать металлические порошки – раскислители и легирующие компоненты, т.к. они не подвергаются нагреву до высоких температур.

2.1. Особенности металлургических процессов при сварке под флюсом

Реакции в высокотемпературной зоне сварочной ванны

В высокотемпературной зоне происходит легирование металла и его окисление по реакциям

[Fe] + (MnO) = [Mn] + (FeO] (10)

2[Fe] + (SiO)= [Si] + 2(FeO]. (11)

В этой же зоне происходит интенсивное окисление углерода

[FeO] + [C] = [Fe] + CO (12)

а также восстановление кремния марганцем

2[Mn] + (Si) = [Si] + 2(MnO). (13)

Вследствие перемешивания часть окислов переходит в шлак

[FeO] → (FeO). (14)

Реакции в низкотемпературной зоне

Обогощенный кремнием и марганцем металл при понижении температуры начинают раскислять металл

[Mn] + [FeO] = [Fe] + (MnO) (15)

[Si] + 2[FeO] = 2[Fe] + (SiO). (16)

Так как основная часть FeO переходит в шлак, металл шва после раскисления будет содержать Si~0,1и Mn~0,6%.

2.2 Металлургические процессы при сварке покрытыми электродами

Металлургические процесcы при дуговой сварке покрытыми электродами характеризуются малым количеством реагирующих веществ, кратковременностью и высокой температурой взаимодействия фаз[1].

В твердом покрытии при нагреве происходит разложение или сгорание органических веществ, диссоциация карбонатов и окислов, окисление ферросплавов.

В процессе сварки образуются шлаки (окислы, сульфиды, галоиды).

Химическое взаимодейтвие шлаков зависит от соотношения кислых, основных и амфотерных окислов:

• кислые окислы это SiO, TiO, PO и др.

• основные окислы CaO, MnO, FeO, NaO, KO

• амфотерные окислы AlO, BO и др.

При избытке основных окислов в шлаке амфотерные окислы ведут себя как кислые и наоборот, образуя с ними комплексные соединения.

Кислый характер шлаков определяется коэффициентом кислотности Кк, который расчитывается как отношение суммы процентов кислых окислов к основным

Кк= . (17)

При Кк>1 – шлак кислый, при Кк<1 – шлак основной.

Одним из основных металлургических процессов является окисление расплавленного металла и ферросплавов в результате их взаимодействия с окислами железа и марганца, находящимися в шлаке.

Ручной дуговой сварке покрытыми электродами присуще газошлаковая защита. Состав и количество газов в атмосфере дуги зависят от типа покрытия. Во всех типах покрытия содержатся СО, СО₂, Н₂, Н₂О, а в органических и рутиловых еще О₂. Кроме этих газов в атмосфере дуги находится также азот воздуха, количество которого зависит от эффективности защиты сварочной зоны.

Снижение количества азота в металле шва достигается надежной газошлаковой защитой. Газообразующие компоненты в процессе плавления электрода выделяют газы, снижающие парциальное давление азота в атмосфере дуги, что уменьшает его содержание в металле шва.

Содержание азота в металле шва зависит от степени легирования. Углерод и кремний увеличивают содержание азота, а марганец в небольших количествах снижает его содержание.

Увеличивает содержание азота легирование шва хромом и молибденом. Повышение содержание титана (свыше 0,2%) и алюминия (свыше 1%) в наплавленном металле приводит к увеличению азота.

Водород, как и азот оказывает вредное воздействие на качество металла шва. В зависимости от температуры водород может находиться в молекулярном, атомном или ионизированном состоянии. Степень диссоциации водорода зависит от температуры. В столбе дуги он в основном находится в атомарном состоянии. При дуговой сварке содержание водорода в металле шва может превышать величину растворимости при равновесных условиях и температуре кристаллизации. Растворимость водорода зависит от концентрации легирующих элементов.

Кислород наиболее активно препятствует поглощению водорода жидким металлом. Раскислители (марганец, кремний, титан и алюминий) связывают кислород тем самым косвенно увеличивая содержание водорода в железе.

Введение карбонатов в покрытие снижает парциальное давление водорода в атмосфере дуги и его количество в металле шва уменьшается.

Наличие фтористых соединений в составе электродного покрытия (основного) связывает водород в химически прочное и нерастворимое соединение

CaF₂ + Н₂О = CaO + 2HF. (18)