594704

Так, увеличение эффективной тепловой мощности, сосредоточенности источника, увеличение давления дуги ведут к увеличению глубины проплавления и уменьшению ширины. При этом ванна удлиняется. Важным фактором, влияющим на геометрические параметры ванны, является пространственное расположение выполняемых швов. При сварке изделий в наклонном положении на подъем (перемещение ванны снизу вверх) глубина проплавления возрастает, при сварке на спуск (перемещение ванны сверху вниз) – снижается (рис. 4.2, б). В первом случае жидкий металл перетекает в хвостовую часть ванны, уменьшая толщину жидкой прослойки под дугой, во втором случае, наоборот, он затекает в головную часть ванны и толщина прослойки увеличивается.

Рис. 4.2. Формирование сварочной ванны в разных положениях:

а – вертикальном; б – наклонном; в – потолочном; г – горизонтальном

При сварке в вертикальном положении (рис. 4.2, а) процесс можно вести сверху вниз (на спуск) и снизу вверх (на подъем). В обоих случаях сила тяжести направлена вниз. При сварке на подъем сварочная ванна удерживается только силой поверхностного натяжения. При этом глубина проплавления резко возрастает. Для удержания расплава приходится ограничивать тепловую мощность дуги и размеры ванны. При сварке на спуск удержанию жидкого металла способствует давление дуги, а глубина проплавления уменьшается.

При сварке в потолочном положении (рис. 4.2, в) сварочная ванна удерживается силами поверхностного натяжения и давлением источника нагрева. Для удержания ванны в потолочном положении также необходимы меры по ограничению ее объема. Особенно неблагоприятные условия формирования ванны создаются при выполнении горизонтальных швов (рис. 4.2, г). Расплавленный металл натекает на нижнюю кромку. Это приводит к образованию несимметричной выпуклой формы шва, а также подрезов. Требование к сокращению размеров сварочной ванны в этом случае особенно жесткое.

Важным фактором, влияющим на работоспособность сварных соединений и также связанным с образованием сварочной ванны, является формирование проплавления корня шва. На рисунке 4.3 показаны силы,

51

действующие на ванну. Ванна удерживается на весу силой поверхностного натяжения Рп, определяемой по формуле:

РП Ж 1/ r1 1/ r2 , (4.1)

где σЖ – поверхностное натяжение расплавленного металла; r – радиус кривизны.

Рис. 4.3. Схема формирования проплавления сварного шва: r1 – радиус кривизны в поперечном сечении шва;

r2 – радиус кривизны в продольном сечении шва

Поверхностное натяжение уравновешивает давление РД, оказываемое на ванну дугой, и металлостатическое давление PM v , определяющееся разницей уровней h и плотностью расплавленного металла ν.

Условиеравновесияваннывположениинавесуможнозаписатьтак:

Из этой формулы следует, что удержание ванны облегчается при уменьшении радиуса кривизны проплава, определяющегося его размерами в поперечном r1 и продольном r2 сечениях. С увеличением ширины и протяженности ванны возрастают радиусы кривизны поверхности жидкого металла в двух взаимно перпендикулярных направлениях. В момент достижения одним из радиусов величины, большей критической, металлостатическое давление расплавленного металла и сила давления дуги превысят силу поверхностного натяжения, удерживающую сварочную ванну. Произойдет разрыв поверхностного слоя в корне шва, и жидкий металл вытечет из ванны, образуя прожог. Особенно часто это наблюдается при сварке металла малой толщины, когда сварочная ванна по ширине значительно превышает толщину свариваемого металла. Наиболее распространенной мерой предупреждения прожогов и обеспечения формирования проплава требуемой формы является правильный выбор сварочных режимов и применение сварочных подкладок.

52

4.3.ПАРАМЕТРЫ РЕЖИМА ДУГОВОЙ СВАРКИ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ФОРМУ

ИРАЗМЕРЫ СВАРОЧНОЙ ВАННЫ

К основным параметрам дуговой сварки относятся сила сварочного тока IСВ, напряжение дуги UД, скорость сварки VСВ. Помимо того, условия сварки зависят от ряда дополнительных факторов, диаметра электрода, рода и полярности тока, положения электрода по отношению к ванне и др.

Сила сварочного тока в наибольшей степени определяет тепловую мощность дуги. При постоянном диаметре электрода с увеличением силы тока возрастает концентрация тепловой энергии в пятне нагрева, повышается температура газовой среды столба дуги, стабилизируется положение активных пятен на электродах. С увеличением силы тока дуги возрастают длина сварочной ванны, ее ширина и особенно глубина проплавления. В определенных пределах изменения силы тока глубина проплавления сварочной ванны может быть оценена зависимостью, близкой к линейной:

где k – коэффициент, зависящий от рода тока, полярности, диаметра электрода, степенисжатиядугиидр.

С увеличением напряжения дуги также возрастает тепловая мощность, а, следовательно, и размеры ванны. Наиболее интенсивно увеличиваются ширина и длина ванны. При постоянной силе тока повышение напряжения дуги незначительно сказывается на глубине проплавления. Путем медленного уменьшения длины дуги и соответственно напряжения ее можно подойтикпроцессусваркипогруженной дугой.

Изменение скорости сварки при постоянной тепловой мощности дуги заметно сказывается на размерах сварочной ванны и шва. С повышением скорости уменьшаются глубина проплавления и ширина ванны, а длина несколько увеличивается.

Важным параметром дуговой сварки является погонная энергия, представляющая отношение эффективной тепловой мощности дуги к скорости ее перемещения (скорости сварки). Этот параметр является обобщающим по отношению к основным параметрам сварочного режима и может бытьпредставленформулой

Погонная энергия характеризует тепловложение в сварное соединение и представляет количество тепловой энергии, вводимое на единицу длины однопроходного шва. Этот параметр очень важен для оценки воздействия термического цикла сварки на основной и наплавленный

53

металл шва. При постоянной погонной энергии повышение скорости сварки вызывает увеличение термического к.п.д. процесса, что связано с возрастанием глубины проплавления и уменьшением ширины сварочной ванны.

Дополнительными параметрами, определяющими условия сварки и особенности горения дуги, являются диаметр электрода, род тока и др. Например, при постоянной силе тока диаметр электрода определяет плотность энергии в пятне нагрева и подвижность дуги. При неизменном значении погонной энергии можно изменять диаметр электрода, род тока и полярность, использовать колебания электрода или наклон его к поверхности изделия и др. Эти особенности процесса, в свою очередь, сказываются на формировании ванны и конечных размеров швов.

ВОПРОСЫ

1.Что понимают под термином «теплопроводность металла»?

2.Как отличаются характеры изотерм при неподвижном источнике нагрева и подвижном источнике нагрева?

3.Как основные параметры режима сварки влияют на форму и разме-

ры сварочной ванны?

4. Как пространственное положение выполняемых швов влияют на геометрические параметры ванны?

5.Какие факторы влияют на формирование теплового поля при сварке?

6.Охарактеризуйте понятие погонной энергии и её определение при дуговой сварке?

7.От каких факторов зависит термический цикл сварки?

8.Что такое температурное поле и от каких параметров оно зависит?

9.Какие силы определяют формирование сварочной ванны?

10.Чем обусловлен нагрев электрода при сварке?

54

ГЛАВА 5. ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХПРОЦЕССОВПРИ СВАРКЕ

5.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ И ОСОБЕННОСТИ СВАРОЧНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ

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. Однако в отличие от общей металлургии, характерной для сталеплавильных агрегатов, условия протекания металлургических процессов при сварке отличаются рядом особенностей, влияющих как на ход их развития, так и на получаемые результаты. Такими особенностями являются:

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.

Вэтих условиях наблюдается активное взаимодействие расплавленного металла с окружающей газовой средой и флюсами, нагретыми до высоких температур. Протекание процессов происходит с большой скоростью. Однако в связи с кратковременностью существования расплава и постоянного обновления взаимодействующих фаз чаще всего они не доходят до полного завершения и большинство реакций в сварочной зоне не достигает равновесного состояния. К тому же создаются условия, препятствующие полному очищению металла шва от различных неметаллических включений, оксидов и газов, которые из-за быстрого затвердевания расплава не успевают выходить на поверхность сварочной ванны и удаляться в шлак. С другой стороны, высокие скорости охлаждения и кристаллизации металла существенно отражаются на строении получаемых швов, приводят к мелкозернистой структуре их, уменьшению химической неоднородности, а в результате – повышению свойств литого металла шва.

55

Имеющие место металлургические процессы связаны с протеканием определенных химических реакций, в результате которых может происходить окисление или раскисление металла шва, легирование его определенными элементами, растворение и выделение в шве газов и др. Некоторые из них ведут к ухудшению свойств получаемых соединений и являются нежелательными (например, окисление), другие способствуют повышению качества и свойств соединений и часто проводятся преднамеренно, например, раскисление. Поэтому в том или ином случае назначения условий сварки необходимо исходить из анализа прохождения всего комплекса физико-химических процессов, имея в виду, что общим результатом их должно быть получение металла шва с определенными свойствами и определенного химического состава. Это определяется не только составом присадочного и основного металла, но и в значительной степени зависит от характера и интенсивности реакций, протекающих в процессе сварки.

5.2. ОСНОВНЫЕ ПРОЦЕССЫ, ПРОТЕКАЮЩИЕ ПРИ ДУГОВОЙ СВАРКЕ

Процессов, протекающих в условиях дуговой сварки, много. Рассмотрим те, которые имеют общий характер во всех или большинстве случаев выполнения сварки.

Диссоциация газов и соединений. При диссоциации происходит распад более сложных компонентов на атомы или составные части. Этому процессу способствуют наличие высоких температур в зоне сварки и каталитическое действие расплавленного металла. При дуговой сварке в первую очередь диссоциации подвергаются молекулы газов как простых – кислород, азот, водород, так и сложных – углекислый газ СО2, пары воды Н2О и др. Диссоциация газов происходит по реакциям:

Кислород и водород при температурах дуги практически полностью диссоциируют на атомы, азот диссоциирует в меньшей степени.

Диссоциация водяного пара в зависимости от температуры прохо-

Следовательно, в зависимости от условий протекания реакций водяной пар может окислять или восстанавливать металл сварочной ванны.

56

Диссоциации подвергаются и более сложные соединения. Во многих электродных покрытиях и флюсах содержится плавиковый шпат CaF2. При высоких температурах он разлагается по реакции

CaF2→CaF+F. (5.7)

Атомы фтора, соединяясь с электронами, превращаются в ионы с малой подвижностью. Это ведет к снижению проводимости дугового промежутка и ухудшению стабильности дуги. Но в то же время атомы фтора способны связывать водород в молекулы HF, не растворяющиеся

вметалле ванны, уменьшая насыщение металла шва водородом.

Всостав многих покрытий электродов входят карбонаты, например

СаСО3. Разлагаясь при высоких температурах, они выделяют углекислый газ, который, в свою очередь, диссоциирует с образованием кислорода

Находясь в атомарном состоянии, газы становятся химически активными и, реагируя с металлом, резко ухудшают его качество.

Окисление металла при сварке. Металл сварочной ванны может окисляться за счет кислорода, содержащегося в газовой среде и шлаках

взоне сварки. Кроме того, окисление может происходить и за счет оксидов (окалины, ржавчины), находящихся на кромках деталей и поверхности электродной проволоки. При нагреве имеющаяся в ржавчине влага испаряется, молекулы воды диссоциируют, а получающийся кислород окисляет металл. Окалина при плавлении металла превращается

воксид железа также с выделением свободного кислорода. При недостаточной защите сварочной ванны окисление происходит за счет кислорода воздуха.

Кислородсжелезомобразуетоксиды: FeO (22,3 % О2), Fe304 (27,6 % О2), Fe2О3 (30,1% О2). При высокой температуре сварочной дуги за счет атомарного кислорода в результате реакции Fe + О.

FeO образуется низший оксид, который при понижении температуры может переходить в другие формы высших оксидов.

Наибольшую опасность для качества шва представляет оксид FeO, способный растворяться в жидком металле. Этот оксид обладает температурой плавления меньшей, чем у основного металла. Поэтому при кристаллизации металла шва он затвердевает в последнюю очередь. В результате он располагается в виде прослоек по границам зерен, что вызывает снижение пластических свойств металла шва. Чем больше кислорода в шве находится в виде FeO, тем сильнее ухудшаются его механические свойства. Высшие оксиды железа не растворяются в жидком металле и,

57

если они не успевают всплывать на поверхность сварочной ванны, остаются в металле шва в виде шлаковых включений.

Железо может окисляться также за счет кислорода, содержащегося в СО2 и парах воды Н2О:

Fe+CO2↔FeO+CO, (5.10)

Fe+H2O↔FeO+H2. (5.11)

Впроцессе сварки, кроме железа, окисляются и другие элементы, находящиеся в стали, – углерод, кремний, марганец. При переходе Апель электродного металла в дуге окисление элементов происходит

врезультате взаимодействия их с атомарным кислородом газовой среды дугового промежутка: С+О→СО, Мn+О→МnО, Si+2О→SiО2.

Всварочной ванне элементы окисляются при взаимодействии их с оксидом железа

C+FeO↔CO+Fe, (5.12)

Mn+FeO↔MnO+Fe, (5.13)

Si+2FeO↔SiO2+2Fe. (5.14)

Окисление этих элементов приводит к уменьшению их содержания

вметалле шва. Кроме того, образующиеся оксиды могут оставаться

вшве в виде различных включений, значительно снижающих механические свойства сварных соединений, особенно пластичность и ударную вязкость металла шва. Повышенное содержание кислорода вредно аствет и на другие свойства – уменьшает стойкость против коррозии, повышает склонность к старению металла, сообщает ему хладнолом-

кость и красноломкость. Поэтому одним из условий получения качественного металла шва является предупреждение окисления его в первую очередь путем создания различных защитных сред.

Раскисление металла при сварке. Применяемые при сварке за-

щитные меры не всегда обеспечивают отсутствие окисления расплавленного металла. Поэтому его требуется раскислить. Раскислением называют процесс восстановления железа из его оксида и перевод кислорода в форму нерастворимых соединений с последующим удалением их в шлак. Окисление и раскисление, в сущности, представляют два направления протекания одного и того же химического процесса. В общем случае реакция раскисления имеет вид FeO+Me↔Fe+МеО, где Me – раскислитель.

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. Ниже приведены наиболее типичные реакции раскисления.

58

Раскисление марганцем: Fe+Mn↔Fe+MnO.

Оксид марганца малорастворим в железе, но сам хорошо астворяяет оксид железа FeO, увлекая его за собой в шлак.

Раскисление кремнием: 2FeO+Si↔2Fe+SiО2.

Оксид кремния плохо растворим в железе и всплывает в шлак. Раскисление кремнием сопровождается реакциями образования более легкоплавких комплексных силикатов марганца, кремния и железа, которые лучше переходят в шлак

Марганец, кремний и титан вводят в сварочную ванну через электродную проволоку, легируя ее через покрытие электрода или флюс,

Образующийся оксид углерода выделяется в атмосферу в газообразном состоянии, вызывая сильное кипение сварочной ванны и образуя поры в шве. Для получения плотных швов реакцию раскисления углеродом следует «подавить» введением в сварочную ванну других раскислителей, например кремния.

Легирование металла шва. Осуществляется различными полезными примесями для улучшения качества металла шва, путем введения полезных элементов в электродные стержни или проволоку, а также в состав электродного покрытия. Такие элементы, как кобальт, никель и др., полностью усваиваются наплавленным металлом. Элементы Mn и Si, участвующие в раскислении, при их достаточной концентрации в шлаке и электродном металлетакжечастичноусваиваются, переходявсварнойшов.

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 Fe2N, Fe4N. 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

59

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. Важной закономерностью в поведении газов является скачкообразное изменение их растворимости в металле при фазовых изменениях его и особенно при переходе из жидкого состояния в твердое (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Растворимость водорода в свариваемом металле

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. Снижение газонасыщения швов проводят за счет качественной защиты расплавленного металла при сварке очисткой и прокалкой свариваемого и сварочных материалов.

Реакции с серой и фосфором. Сера и фосфор являются вредными примесями в сталях. В сварочную ванну они попадают из основного металла, сварочной проволоки и иногда из покрытия электродов или флюса. В металле сера и фосфор могут находиться в виде соединений – сульфидов и фосфидов, хорошо растворимых в железе. Наличие в металле шва серы и фосфора снижает его механические свойства, сильно повышает склонность к образованию трещин и снижает ударную вязкость. Поэтому рафинирование, очистка металла от серы и фосфора имеет целью уменьшение общего содержания FeS и FeP.

60