Главная → Статьи

Металлургические процессы при сварке

Плавление металла. В процессе электродуговой сварки плавлением металл сварного соединения плавится под воздействием мощной электрической дуги, горящей между электродом и свариваемым изделием. Температура дуги колеблется в пределах 5000—8000 °С. Под действием мощного сосредоточенного источника тепла плавятся свариваемый (основной) и электродный (сварочный) металлы.

Металлургические процессы при дуговой сварке протекают совершенно в других условиях, чем при производстве стали. Это объясняется прежде всего небольшим объемом расплавленного металла, называемого сварочной ванной, и быстрым его затвердеванием. При ручной дуговой сварке объем расплавленного металла не превышает 8 см3 (длина сварочной ванны 20—30 мм, ширина 8—12 мм, глубина 2—3 мм), а время затвердевания — несколько секунд. Между тем при производстве стали объем расплавленного металла измеряется десятками и сотнями тонн, а время плавления и затвердевания — часами, хотя температура расплавленного металла ниже, чем в сварочной ванне. В результате быстрого затвердевания металла сварочной ванны химические реакции, протекающие в расплавленном металле, не успевают закончиться. Поэтому при сварке незащищенной дугой содержание кислорода в металле сварного соединения примерно в 15 раз больше, чем у мартеновской стали. А чем больше кислорода,’ тем ниже механические свойства металла.

Расплавленный металл электрода переходит в сварочную ванну в виде небольших капель. Металл капель подвергается в дуговом промежутке воздействию шлака покрытия электрода и газов окружающей среды. При ручной сварке электродами, имеющими покрытие, одновременно с основным и электродным металлами плавится и покрытие, в результате чего образуется расплавленный неметаллический слой шлака. Назначение шлака — улучшать свойства расплавленного металла. Шлак защищает металл капли и сварочной ванны от воздействия окружающего воздуха, раскисляет и легирует металл сварочной ванны, в шлаке растворяются вредные примеси. В ряде случаев шлак способствует устойчивому горению дуги.

В процессе плавления электродного покрытия наряду с образованием слоя расплавленного шлака выделяются газы, возникающие при сгорании газообразующих компонентов покрытия (целлюлоза, крахмал, древесная мука) и разложении молекул мела, мрамора. Реакции между газообразными веществами и жидким металлом протекают быстрее, чем при использовании шлаковой защиты, поэтому действие последней более интенсивно.

Меры, принимаемые для защиты металла сварочной ваны от воздействия окружающего воздуха, не всегда достигают цели. Поэтому содержание кислорода в наплавленном металле всегда бывает выше, чем в основном и электродном. Для снижения количества кислорода в наплавленном металле, а следовательно, для повышения механических свойств металла его раскисляют и удаляют образовавшиеся окислы из’ сварочной ванны. Раскисляют металл с помощью углерода, марган-да, кремния, алюминия (раскислители), которые вводят в электродную проволоку или электродные покрытия.

Для компенсирования выгорающих элементов, а также легирования основного металла с целью обеспечения равнопрочности и сближения химического состава наплавленного и основного металлов, легируют металл сварного шва. Легирование осуществляется хромом, молибденом, титаном, ванадием, вольфрамом и рядом других элементов, которые вводятся в состав электродного покрытия или основного металла.

Кристаллизация металла сварного соединения. Сварное соединение образуется из металла сварного шва (расплавленный основной и электродный металл) и участков основного металла, прилегающих к сварному шву (рис. 1). При ручной сварке покрытыми электродами металл шва в среднем состоит из 30—50% основного и 70—50% электродного металла.

Рис. 1. Структура околошовной зоны сварного соединения и схема участков
1 — неполного расплавления; 2 — перегрева; 3 — нормализации; 4— неполной перекристаллизации; 5 — рекристаллизации

При остывании металла сварочной ванны происходит его первичная и затем вторичная кристаллизация. Образование зерен при переходе металла из расплавленного в твердое состояние называется первичной кри-сталлизацией,- При изменении температуры в затвердевшем металле меняется форма зерен. Этот процесс называется вторичной кристаллизацией (перекристаллизацией). При вторичной кристаллизации стремятся к измельчению зерна, что улучшает механические свойства стали. Легирование металла шва через покрытие электродов, а также надежная защита металла сварочной ванны способствуют получению достаточно чистого, без’ включений, металла шва необходимого химического состава с требуемыми свойствами.

Структура металла шва в некоторой степени зависит от формы шва. В узких швах, имеющих коэффициент формы шва (отношение ширины шва к глубине провара) меньше единицы, последние участки жидкого металла располагаются в центре сечения шва (рис. 2,о), поэтому в этом месте возможны скопления шлаков, газов и других нежелательных включений. У швов с коэффициентом формы шва больше единицы (рис. 2,6) последние участки жидкого металла находятся в середине поверхности шва, поэтому все вредные включения свободно удаляются.

Выделяющееся при сварке тепло уходит в основном в свариваемый металл через околошовные участки, называемые зоной термического влияния. От обычной термической обработки нагрев и охлаждение металла сварного соединения в зоне термического влияния отличается кратковременностью теплового воздействия и нагревом до высоких температур. Нагрев и охлаждение металла околошовной зоны оказывают серьезное влияние на его свойства, вызывая различные структурные изменения. Свойства сварного соединения определяются свойствами металла шва и металла зоны термического влияния. Зона термического влияния при сварке покрытыми электродами составляет около 6 мм (участки: перегрева — 2,2 мм, нормализации—1,6 мм, неполной перекристаллизации — 2,2 мм). Сварные соединения разрушаются главным образом в зоне термического влияния вследствие потери основным металлом пластических свойств.

Рис. 2. Форма шва
а — узкого с коэффициентом формы шва меньше 1; б — коэффициентом формы шва больше 1

Дефекты структуры металла сварных соединений. К этим дефектам относятся шлаковые включения, трещины, поры.

При ручной сварке покрытыми электродами шлаковые включения образуются в результате задержки частиц кварца и корунда, присутствующих в некоторых исходных компонентах покрытий. В металле шва встречаются сернистые включения, нитриды — химические соединения азота с различными металлами. Повышение содержания азота резко снижает пластические свойства металла шва.

В большинстве случаев неметаллические включения имеют высокую температуру плавления, небольшую прочность, способствуют коррозии металла, так как отличаются от него по химическому составу.

Для предупреждения появления шлака в наплавленном металле в состав электродных покрытий вводят вещества, дающие возможность _ понизить температуру плавления окислов и образующие легко удаляемые из металла соединения. Кроме того, удаляют загрязнения, ржавчину и окалину в месте сварки на основном металле, шлак при многослойной сварке после наплавки каждого валика; замедляют остывание основного металла, применяя соответствующий режим сварки, толстый слой шлака или другие приемы.

Качество сварного соединения во многом зависит от технологических приемов сварки, в результате которых должно быть получено сплошное соединение. Сплошность сварного соединения является одним из основных признаков качества сварки. Нарушение сплошности проявляется обычно в виде трещин и пористости.

Трещины условно делятся на горячие и холодные.

Увеличению вероятности появления горячих трещин способствуют сера, углерод, кремний, водород.

Большую роль в образовании холодных трещин играют фосфор, водород, молекулы которых скопляются в пустотах структуры металла. Предупредить появление трещин можно предварительным подогревом свариваемых элементов и использованием оптимальных режимов сварки.

В процессе расплавления металла из него выделяются газы, которые, оставаясь в затвердевшем металле, делают его пористым, а поры способствуют разрушению сварного соединения, так как служат концентраторами напряжений. Кроме того, оставшиеся в металле газы уменьшают его пластичность, повышая твердость и хрупкость. Поры имеют шарообразную и вытянутую формы.

Основными причинами появления пор являются: влага, присутствующая в электродах и присадочной проволоке; ржавчина, окалина на свариваемых кромках; интенсивное выделение газов при затвердевании металла, наличие в стали в большом количестве водорода.

Ваш отзыв