Металлургия сварки плавлением

Классификация способов сварки

Электрическую сварку плавлением в зависи­мости от характера источников нагрева и расплавления свариваемых кромок можно разделить на следующие основные виды сварки [13,14]:

1) электрическую дуговую, где источником тепла яв­ляется электрическая дуга;

2) электрошлаковую, где основным источником теплоты является расплавленный шлак, через который протекает электрический ток;

3) электронно-лучевую, при которой нагрев и расплав­ление кромок соединяемых деталей производятся направ­ленным потоком электронов, излучаемых раскаленным катодом;

4) лазерную, при которой нагрев и расплавление кромок соединяемых деталей происходят направленным сфоку­сированным мощным световым лучом микрочастиц – фотонов.

При электрической дуговой сварке основная часть теп­лоты, необходимой для нагрева и плавления металла, получается за счет дугового разряда, возникающего между свариваемым металлом и электродом. Под действием теплоты дуги кромки свариваемых деталей и торец пла­вящегося электрода расплавляются, образуя сварочную ванну, которая некоторое время находится в расплавлен­ном состоянии. При затвердевании металла образуется сварное соединение. Энергия, необходимая для образова­ния и поддержания дугового разряда, получается от ис­точников питания дуги постоянного или переменного тока.

Классификация дуговой сварки производится в за­висимости от степени механизации процесса сварки, рода тока и полярности, типа дуги, свойств электрода, вида защиты зоны сварки от атмосферного воздуха и др.

По степени механизации различают сварку ручную, полуавтоматическую, автоматическую. Отнесение процес­сов к тому или иному способу зависит от того, как выпол­няются зажигание и поддер­жание определенной длины дуги, манипуляция электро­дом для придания шву нужной формы, перемещение электрода по линии наложения шва и прекращение процесса сварки. При ручной сварке (рис. 36) указанные опера­ции, необходимые для об­разования шва, выполня­ются рабочим-сварщиком вручную без применения механизмов.

Рис. 36. Ручная сварка покрытым электродом: 1 – основной металл; 2 – сварочная ванна; 3 – проплавленный металл; 4 – сварочная дуга; 5 – проплавленный металл; 6 – наплавленный металл; 7 – шлаковая корка; 8 – жидкий шлак; 9 – покрытие электрода; 10 – стержень электрода; 11 – электрододержатель; 12 – сварочная цепь; 13 – источник питания.

При полуавтоматиче­ской сварке плавящимся электродом меха­низи­руются операции по подаче электродной прово­локи в сварочную зону, а остальные операции про­цесса сварки осуществля­ются сварщиком вручную. При автоматической сварке под флюсом механизируются операции по возбуждению дуги, поддер­жанию определенной длины дуги, перемещению дуги по линии наложения шва.

Автоматическая сварка плавящимся электродом ве­дется сварочной проволокой диаметром 1–6 мм; при этом режим сварки (ток, напряжение, скорость перемещения дуги и др.) более стабилен, что обеспечивает однородность качества шва по его длине, в то же время требуется боль­шая точность в подготовке и сборке деталей под сварку.

По роду тока различают дуги, питаемые постоянным током прямой (минус на электроде) или обратной (плюс на электроде) полярности или переменным током. В зависимости от способов сварки применяют ту или иную по­лярность. Сварка под флюсом и в среде защитных газов обычно производится на обратной полярности.

По типу дуги различают дугу прямого действия (за­висимую дугу) и дугу косвенного действия (независимую дугу). В первом случае дуга горит между электродом и основным металлом, который также является частью сва­рочной цепи, и для сварки используется теплота, выде­ляемая в столбе дуги и на электродах; во втором – дуга горит между двумя электродами. Основной металл не является частью сварочной цепи и расплавляется преиму­щественно за счет теплоотдачи от газов столба дуги.

В этом случае питание дуги осуществляется обычно переменным током, но она имеет незначительное приме­нение из-за малого коэффициента полезного действия дуги (отношение полезно используемой тепловой мощности дуги к полной тепловой мощности).

По свойствам электрода различают способы сварки плавящимся электродом и неплавящимся (угольный, гра­фитовый или вольфрамовый).

Сварка плавящимся электродом является самым рас­пространенным способом сварки; при этом дуга горит между основным металлом и металлическим стержнем, подаваемым в зону сварки по мере плавления. Этот вид сварки можно производить одним или несколькими элек­тродами. Если два электрода подсоединены к одному полюсу источника питания дуги, то такой метод назы­вают двухэлектродной сваркой, а если больше – много­электродной сваркой пучком электродов.

Если каждый из электродов получает независимое питание – сварку называют двухдуговой (многодуговой сваркой). При дуговой сварке плавлением коэффициент полезного действия дуги достигает 0,7– 0,9.

По условиям наблюдения за процессом горения дуги различают открытую, закрытую и полуоткрытую дугу.

При открытой дуге визуальное наблюдение за про­цессом горения дуги производится через специальные защитные стекла — светофильтры. Открытая дуга при­меняется при многих способах сварки; при ручной сварке металлическим и угольным электродом и сварке в защит­ных газах.

Закрытая дуга располагается полностью в расплав­ленном флюсе–шлаке, основном металле и под гранули­рованным флюсом, и она невидима.

По роду защиты зоны сварки от окружающего воздуха различают следующие способы сварки: баз защиты (го­лым электродом, электродом со стабилизирующим покры­тием), со шлаковой защитой (толстопокрытыми электро­дами, под флюсом), шлакогазовой (толстопокрытыми элек­тродами), газовой защитой (в среде газов) с комбиниро­ванной защитой (газовая среда и покрытие или флюс).

Стабилизирующие покрытия представляют собой ма­териалы, содержащие элементы, легко ионизирующие сва­рочную дугу. Наносятся они тонким слоем на стержни электродов (тонкопокрытые электроды), предназначенных для ручной дуговой сварки.

Защитные покрытия представляют собой механи­ческую смесь различных материалов, предназначенных ограждать расплавленный металл от воздействия воз­духа, стабилизировать горение дуги, легировать и рафинировать металл шва.

Наибольшее примене­ние имеют средне- и тол­стопокрытые электроды, предназначенные для руч­ной дуговой сварки и на­плавки и изготовляемые в специальных цехах или заводах.

Применяются также магнитные покрытия, ко­торые наносятся на прово­локу в процессе сварки за счет электромагнитных сил, возникающих между находящейся под током электродной проволокой и ферромагнитным порош­ком, находящимся в бун­кере, через который про­ходит электродная проволока при полуавтоматической или автоматической сварке.

Сварка плавлением сопровождается химическими реакциями между расплавленным металлом и окружающей средой [13–16]. При переносе металла с электрода в сварочную ванну капли и пары электродного металла, а также расплавленный металл взаимодействуют с газовой фазой и жидким шлаком. Поэтому химический состав и свойства наплавленного металла могут существенно отличаться от химического состава электродного металла, а сварной шов иметь низкие механические свойства.

Расплавленный металл, взаимодействуя с окружающей средой, поглощает кислород, азот, водород, что существенно сказывается на свойствах металла шва. Азот попадает в зону сварки главным образом из воздуха. Источниками кислорода и водорода является воздух, сварочные материалы (электродные покрытия, флюсы, защитные газы и т. п.), а также окислы, адсорбированная влага и другие загрязнения на поверхности основного и присадочного металла. Кроме того, кислород, водород и азот могут содержаться в избыточном количестве в переплавляемом металле.

Несмотря на различные способы изоляции расплавленного металла от воздуха (электродные покрытия, флюсы, защитные газы и т. п.), исключить полностью его попадание в зону сварки практически невозможно даже при сварке в вакууме.

Воздух, в зависимости от его влажности, может служить также источником водорода, который способствует образованию пор. Влага содержится также в углекислом газе, который является энергичным окислителем, взаимодействуя с металлом.

Источниками кислорода и водорода, кроме воздуха и защитных газов, являются электродные покрытия, флюсы и шихта порошковой проволоки, которые почти всегда содержат в своем составе различные окислы, карбонаты и другие соединения, способные передавать кислород металлу, а также влагу, входящую в структуру минералов в виде молекул. Если гигроскопическую и кристаллизационную воду можно сравнительно легко удалить и соответственно понизить содержание влаги в покрытии и водорода в металле шва путем нагрева электрода перед сваркой до относительно невысокой температуры (200–300 ºС), то для удаления воды из гидроокиси, содержащейся во флюсе, требуется прокалка флюса при температуре 800–900 ºС.

Важным источником выделения газов являются поверхностные загрязнения. Это, прежде всего, поверхностные окислы, которые, растворяясь в металле при его расплавлении и взаимодействуя с ним, способствуют насыщению ванны кислородом. Поверхностные окислы могут быть также поставщиками водорода. Примером является ржавчина, представляющая собой гидрат окиси железа, разлагающийся при нагреве с выделением паров воды.

Кроме окисной пленки и адсорбированной влаги, на поверхности металла имеются жировые и пылевые загрязнения, включающие органические вещества. Термическое разложение органических веществ приводит к образованию водородосодержащих газов.

Основной и присадочный металл может быть загрязнен газами, которые при его расплавлении могут переходить в металл шва или выделяться в виде газовых пузырьков, являясь причиной пористости.

При контакте расплавленного металла с кислородом газовой или шлаковой фазы происходит растворение кислорода в металле, а при достижении концентрации насыщения – образование отдельной кислой фазы. Одновременно идет окисление примесей и легирующих элементов, содержащихся в металле. В первую очередь окисляются элементы, обладающие большим сродством с кислородом.

Продукты окисления удаляются в шлак, но могут частично затвердевать в металле при его кристаллизации. При охлаждении металла, и особенно при его кристаллизации, возможны вторичные реакции образования окислов вследствие изменения условия равновесия (понижение растворимости кислорода). Такие окислы большей частью остаются в металле в виде неметаллических включений или газовых пузырей. Присутствие кислорода в металле резко ухудшает его механические и технологические свойства.

Азот растворяется в большинстве конструкционных металлов и сплавов. Кроме того, со многими элементами азот образует нитриды.

Наряду с присутствием азота в стали в виде нитридов азот еще способен растворяться в железе, что является причиной образования пор в металле шва. Кроме того, увеличение содержания азота в стали приводит к усилению склонности стали к старению.

Для уменьшения содержания азота в металле шва желательно исключать его из газовой фазы дуги, что достигается сваркой закрытой дугой и сваркой в углекислом газе. Кроме того, уменьшение содержания азота в металле шва достигается введением в металл элементов, имеющих большое сродство с азотом (марганец, титан), за счет которых образуются нитриды, переходящие в шлак.

Водород, подобно кислороду и азоту, поглощается в процессе сварки металлом шва. Источником водорода в газовой фазе при сварке могут служить атмосферная влага, флюс, обмазка электрода, шихта порошковой проволоки, ржавчина и т. д.

Под действием теплоты дуги влага превращается в пары воды, которая повышает концентрацию водорода в газовой фазе. Атомы водорода способны легко диффундировать в кристаллической решетке железа, даже при комнатных температурах, так как по размерам они значительно меньше межатомных расстояний в кристаллической решетке железа.

При охлаждении расплавленного металла в сварочной ванне растворимость уменьшается и водород будет выделяться из кристаллизующего металла. Однако весь водород не успевает выделиться, а оставшиеся атомы водорода приводят к образованию пор в металле. Процесс выделения водорода не прекращается и по окончании кристаллизации металла. В полностью остывшем металле, пересыщенном водородом, происходит его выделение не только во внешнюю среду, но и в микроскопические полости (поры), всегда имеющиеся в твердом металле. Молекулярный водород, накапливаясь в микрополостях, создает в них большое давление, вызывающее появление трещин.

Уменьшение содержания водорода в металле шва может быть достигнуто следующим образом:

– применением для сварки прокаленных толстопокрытых электродов и флюсов;

– тщательной зачисткой свариваемых кромок от ржавчины, окалины и прочих загрязнений;

– предварительным и сопутствующим нагревом детали.

Сера и фосфор являются вредными примесями в сталях. Сера попадает в сварочную ванну из основного металла, сварочной проволоки, покрытия и флюса. Наиболее неблагоприятной формой сернистых соединений в металле шва является FeS, так как сульфид железа в процессе кристаллизации образует с железом эвтектику, имеющую температуру плавления 900 ºС, которая располагается между зернами и является основной причиной возникновения горячих трещин. Поэтому десульфация металла шва является очень важной металлургической операцией и достигается введением в сварочную ванну элементов, имеющих большее сродство к сере, чем железо и образующих соединения с высокой температурой плавления, не растворяющиеся в жидкой стали.

К таким элементам относится марганец, который образует сульфид железа, имеющий температуру плавления около 1650 ºС. Сульфид марганца легко растворим в жидкой стали и образует в ней обособленную фазу, имеющую глобулярную (округлую форму). Такие швы сохраняют стойкость против горячих трещин. Десульфация может быть также осуществлена за счет оксида кальция.

Фосфор в металле шва находится в виде фосфидов железа. Увеличение содержания фосфора в металле шва заметно снижает ударную вязкость, особенно при низких температурах. Удаление фосфора может быть достигнуто путем его окисления и последующего связывания оксида фосфора в прочное химическое соединение, которое удаляется затем в шлак.

При расплавлении сварочного флюса электродного покрытия сердечника порошковой проволоки образуется шлак, основное назначение которого – изоляция расплавленного металла от воздуха. Однако флюсы, покрытия и
т. п. выполняют и другие функции: стабилизируют дугу, способствуют формированию шва, осуществляют металлургическую обработку расплавленного металла, раскисление и легирование.

Сварочные материалы (флюсы, покрытия и т. п.) содержат по ряду причин окислы, карбонаты и другие компоненты, способные окислять металл. Окислительные действия приводят к потере (уменьшение коэффициента перехода) углерода, марганца, кремния, хрома и других элементов. Кроме того, окисление примесей металла сопровождается увеличением содержания кислорода, что понижает механические свойства. Поэтому для удаления кислорода из расплавленного металла используют раскислители (Mn, Si, Al, Ti, Zr).

Окислительные действия компонентов покрытий и флюсов вызвало необходимость применения безокислительных покрытий, не содержащих окислов железа и карбоната, а также безкислородных флюсов на основе плавикового шпата. Такие материалы применяются для сварки ответственных металлоконструкций.

Дата добавления: 2014-03-19; просмотров: 457; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!