Главная → Статьи

Металлургические процессы при газовой сварке

Металлургические процессы при газовой сварке по сравнению с обычными металлургическими процессами характеризуются:
– малым объемом ванны расплавленного металла;
– местным характером нагрева металла подвижным сосредоточенным источником;
– высокой температурой теплового источника;
– сравнительно большой скоростью расплавления и кристаллизации металла;
– взаимодействием расплавленного металла ванны с газами восстановительной (средней) зоны пламени;
– интенсивным перемешиванием металла ванны газовым потоком пламени.

При газовой сварке расплавленный металл сварочной ванны вступает во взаимодействие с газами, находящимися в пламени газовой горелки или в воздухе, в результате чего может произойти испарение, окисление (соединение с кислородом воздуха) и выгорание отдельных легирующих компонентов (составляющих) металла, раскисление расплавленного металла, насыщение металла углеродом или водородом и др.

Испарение металлов. В процессе сварки металлы нагреваются до температуры, близкой к температуре кипения, в результате происходит интенсивное испарение. Легко испаряются цинк, магний, свинец. Испарение металла при сварке (особенно медноцинковых, алюминие-вомагниевых, железомарганцевых и других сплавов) может привести к уменьшению (выгоранию) легирующих компонентов, что, в свою отередь, повлечет за собой изменение свойств металла.

Окисление металла при сварке. В основном металл сварочного шва окисляется газами пламени горелки или кислородом воздуха из окружающей среды. Кроме того, окисление расплавленного металла может происходить и за счет окислов (ржавчина, окалина), находящихся на поверхности кромок свариваемого металла или присадочной проволоки.

Растворяясь в стали, кислород вступает в соединение с легирующими компонентами, что увеличивает общее содержание кислорода сварного шва. Таким образом, избыточное содержание В попа (в виде окислов или в чистом виде) приводит к снижению механических свойств сварного соединения.

В процессе сварки содержание некоторых элементов (углерод, кпрмний марганец) в металле шва уменьшается, так как они выгорают В результате выгорания указанных элементов свойства сварного соединения ухудшаются. Например, при выгорании углерода образуется окись углерода, которая, выходя на поверхность ванны расплавленного металла, вызывает сильное кипение ее с чрезмерным разбрызгиванием — шов получается пористым с пониженными механическими свойствами.

Раскисление металла. Если в жидком металле шва находится несколько разнородных окислов, то между ними могут произойти химические реакции, в результате которых получаются соединения с более низкой температурой плавления, чем у исходных окислов. Эта особенность облегчает удаление окислов из расплавленного металла, так как полученные соединения имеют более низкую температуру плавления и легко вытесняются на поверхность ванны расплавленного, металла шва.

При сварке некоторых металлов (алюминий, медь, латунь) применяют флюсы, в состав которых входят отдельные компоненты, способствующие образованию легкоплавких соединений. Таким образом, под раскислением следует понимать удаление из металла шва кислорода, находящегося в нем в виде различных окислов. Процессы раскисления и окисления происходят одновременно и взаимосвязанно.

Например, восстановление окислов железа в условиях сварки осуществляется преимущественно за счет окисления углерода, кремния и марганца.

Возможность протекания этих реакций зависит от температуры и процентного содержания элементов. В некоторой степени раскисление сварочной ванны осуществляется углеродом, окисью углерода или водородом, имеющимися в пламени газовой горелки. При этом пламя не только восстанавливает окислы, но и предохраняет расплавленный металл от окисления его кислородом и насыщения азотом воздуха, при растворении которых шов получается хрупким. Следует всегда помнить, что ацетилено-кислородное пламя является слабым восстановителем, так как газы пламени действуют в основном лишь на поверхности сварочной ванны.

Сварочное пламя по отношению к расплавленному металлу является не раскислителем, а защитной средой, затрудняющей доступ кислорода к сварочной ванне и замедляющей окисление металла. Особенно ярко это выявляется при сварке высокоуглеродистых и высоколегированных сталей, а также при сварке меди, латуни, бронзы и алюминиевых сплавов, раскисление которых одним пламенем недостаточно. В этом случае необходимо применять флюсы, способствующие удалению окислов из металла.

При газовой сварке в металле шва и околошовной зоне происходят структурные изменения. В результате более медленного (по сравнению с дуговой сваркой) нагрева зона термического влияния при газовой сварке получается больше, чем при дуговой.

Основной металл, непосредственно прилегающий к сварочной ванне, перегревается и приобретает крупнозернистую структуру. Образование дендритов в результате частичного оплавления зерен представлено на рис. 10.

Такое же строение получает и металл шва, кристаллизующийся на частично оплавленных крупных зернах внутренней границы ванночки.

Сварное соединение можно разделить на три основные зоны, имеющие различные микроструктуры (рис. 11):
I — зона основного металла; II — зона термического влияния; III — зона наплавленного металла.

Зона термического влияния — это участок основного металла, прилегающий к сварному шву, в котором произошли структурные изменения в результате нагрева его до температуры выше 720 °С. Глубина этой зоны при газовой сварке 8— 15 мм для малых толщин и 20— 25 мм для больших толщин.

В свою очередь, зону термического влияния можно подразделить на три участка.

Участок А, подвергающийся воздействию температур от 720 до 950 °С, характеризующийся неполной перекристаллизацией, т. е. частичным образованием новых мелких зерен феррита.

Участок Б, находящийся под воздействием температур от 950 до 1100 °С, отличается мелким строением зерен, т. е. более полной перекристаллизацией, и обладает повышенными по сравнению с основным металлом механическими свойствами.

На участке В, подвергающемся действию температур свыше 1150 °С, расположен перегретый металл с сильно выросшим зерном.

В зоне термического влияния может также образоваться закалочная структура (мартенсит) из-за интенсивного теплоотвода, вследствие чего вязкость и пластичность металла будут сильно понижены. В связи с этим зона термического влияния является таким местом, где в основном металле могут образоваться и развиться трещины.

Между зоной термического влияния и металлом шва находится участок сплавления небольшой ширины

Рис. 10. Образование дендритов в результате частичного оплавления зесен
1 — жидкий металл; 2 — зона взаимной кристаллизации; 3 — отвод тепла; 4 — твердый металл; 5 — граница сплавления

Рис. 11. Микроструктура сварного соединения

Металлографическое исследование дает возможность контролировать швы, выявлять внутренние и наружные трещины, поры, раковины непровары, шлаковые включения, а также определять структуру металла переходной зоны термического влияния. Из сварного соединения вырезают образец (в перпендикулярном направлении к оси сварного шва), который должен содержать зону термического влияния и прилегающие к ней небольшие участки основного металла. Этот образец называют темплетом.

Одну из поверхностей реза подвергают механической обработке, после чего тщательно полируют данную поверхность, доводя ее до зеркального вида. При механической обработке и последующей полировке необходимо помнить, что подготовляемая поверхность образца для металлографических исследований должна быть строго перпендикулярна оси шва, без завалов краев, т. е. должна быть идеальная плоскостность. После этого подготовленную поверхность протравливают специальным реактивом и помещают на столик микроскопа.

Окончательно подготовленная поверхность сварного образца для металлографических исследований должна быть идеально чистой. Принимают сварной шов, в котором при металлографических исследованиях не обнаружены трещины в металле шва и в зоне термического влияния, непровары, подрезы, несплавления металла шва с основным металлом, микротрещины, шлаковые включения, поры.

Ваш отзыв