Распределение температур в зоне сварки

Рассмотрим распределение температур в зоне сварке. Обычно выделяется высоко- и низкотемпературную зоны.

В процессе сварке дуга перемещается вдоль кромок и образует подвижную сварочную ванну. Ванна разделяется на хвостовую и головную части. В головной части происходит плавление основного и присадочного материала, а в хвостовой – кристаллизация. По мере передвижения дуги и сопутствующей ей ванны осуществляется непрерывное формирование шва.

Головная часть Хвостовая часть

Конвективные потоки

Т_пл

Т

Х

Конвективные потоки в ванне способствуют перемешиванию металла и обеспечивают его однородность. Источник движения – давление сварочной дуги. Особенности металлургических процессов определяются температурой в ванне и каплях электродного металла.

Способ сварки	Средняя температура, оС
	Ванна	Электродные капли
Под флюсом В аргоне В СО2 Ручная дуговая	1700-1900 1600-1800 1900 1600-1200	- 2600-3200 2600-2800 2100-2200

Повышенная температура на стадии капель создает благоприятные возможности для взаимодействия с газами и шлаком. Процесс взаимодействия идет с максимальной интенсивностью в высокотемпературной зоне плавления. По мере спада температуры процессы начинают замедляться и могут изменить направление. Например, при сварке под флюсом в низкотемпературной зоне процесс легирования марганцем сменяется на процесс раскисления.

Металлургия сварки под флюсом

По способу приготовления сварочные флюсы разделяются:

1. Керамические – получают путем грануляции замеса из порошковых компонентов, связанных жидким стеклом. Керамические флюсы могут содержать металлические порошки для раскисления и легирования. Недостаток – высокая гигроскопичность.

2. Плавленые – получают путем сплавления компонентов с последующей грануляцией. Получили наибольшее распространение.

В качестве примера приведем состав плавленого флюса для сварки сталей марки АН-348А.

SiO₂ – 41-44%

MnO – 34-38%

CaO+MgO <17%

Al₂O₃ <6 %

CaF₂ < 4-6 % Шлак основной.

В высокотемпературной зоне развиваются следующие реакции

Fe + (MnO) ↔[Mn] + [FeO],

2Fe + (SiO₂) ↔ [Si] + 2[FeO],

[FeO] + [C] ↔ Fe + CO .

Происходит легирование Mn и Si и выгорание углерода в стали. Интенсивное перемешивание шлака с металлом способствует переходу FeO в шлаковую фазу по схеме [FeO]→ (FeO) . В шлаке FeO переходит в соответствующие силикаты.

При понижении температуры Mn и Si начинают раскислять металл шва;

[ Mn ] + [ FeO ] → Fe + ( MnO )

Н

[ Mn ]

о, т.к. основная часть FeO уже извлечена шлаком и скорость реакции намного ниже, то наблюдаем остаточное легирование. Легирование Mn и Si сильно зависит от основности флюса В ( см. график ).

[ Mn ]₀

B

0,75

Большое влияние на переход легирующих элементов оказывают параметры режима, в особенности напряжение. Повышение напряжения увеличивают длину столба дуги и, следовательно, протяженность высокотемпературной зоны. Наблюдается более интенсивное выгорание углерода.

В определенных приделах с увеличением напряжения увеличивается содержание [ Mn ] и [ Si ]

1,2%

При сварке под флюсом сера легко удаляется по реакции

Шлак (FeS) + (CaO) ↔ (CaS) + (FeO)

↑↓ ↑↓

Металл [FeS] [FeO]

Фосфор связывается по реакции

2[Fe₃P] + 5[FeO] ↔ (P₂O₅) + 11Fe .

Недостатком сварки под флюсом является наличие повышенного содержания паров воды и водорода в атмосфере дуги и, как результат, повышенное содержание водорода в сварочном соединении.

Вода присутствует во флюсах в следующих соединениях:

1. Гидратная, которая входит в структуру молекул компонентов флюса.

2. Цеолитная, которая содержится в микроскопических пустотах алюмосиликатов, но химически не связана с молекулами.

3. Адсорбированная на поверхности зерен флюса.

Все виды воды легко удаляются прокаливанием до 300⁰С. Для связывания водорода, в состав активных флюсов всегда входят CaF₂ и реже другие фториды. Они связывают водород в более устойчивые соединения, нерастворимые в металле.

CaF₂ + Н₂O ↔ CaO + 2HF.