Металлургические процессы при сварке. Взаимодействие сварочной ванны с газами

1. - Металлургические процессы при сварке; - Взаимодействие сварочной ванны с газами.

2. 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.

3.

При сварке проходят в основном следующие
металлургические процессы:
- окисление;
- раскисление;
- легирование;
- рафинирование.

4.

Окисление:
Металл сварочной ванны может окисляться за счет
кислорода, содержащегося в газовой среде и шлаках в зоне
сварки.
Кроме того, окисление
может происходить и за счет
оксидов (окалины,
ржавчины), находящихся на
кромках деталей и
поверхности электродной
проволоки.
При недостаточной
защите сварочной ванны
окисление происходит за
счет кислорода воздуха.

5. Металлургические процессы

Кислород с железом образует оксиды: FeO,
Fe3O4, Fe2O3. Наибольшую опасность для
качества шва представляет оксид FeO, способный
растворяться в жидком металле.
Высшие оксиды железа не растворяются в
жидком металле и, если они не успевают
всплывать на поверхность сварочной ванны, то
остаются в металле шва в виде шлаковых
включений. Железо может окисляться также за
счет кислорода, содержащегося в СО2 и парах
воды Н2О.

6.

Кислород: поступает в зону сварки из воздуха и
электродного покрытия. Кислород, взаимодействуя
с расплавленным металлом, в первую очередь
окисляет железо, так как его концентрация в стали
наибольшая. В процессе окисления железа
участвуют также находящиеся в зоне дуги
углекислый газ и пары воды.
Значительное сродство углерода, марганца и
кремния с кислородом приводит к сильному
уменьшению содержания этих примесей в
расплавленном металле шва.
Необходимо производить как раскисление металла,
так и удаление образовавшихся оксидов из
сварочной ванны.

7.

Раскисление:
Процесс восстановления железа из его оксида и перевод
кислорода в форму нерастворимых соединений с
последующим удалением их в шлак. 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.

8.

- Марганец: является наиболее распространенным
активным раскислителем. Он входит во многие электродные
покрытия и флюсы. Марганец также способствует удалению
серы из стали.
-- -------Кремний: очень хороший раскислитель и применяется в
электродных покрытиях и флюсах в виде ферросилиция или
кварцевого песка.
Титан: является активным раскислителем и поэтому
широко применяется в различных электродных покрытиях.
Алюминий: в качестве раскислителя применяется редко,
так как он образует тугоплавкие оксиды и придает стали
склонность к образованию трещин.

9.

Легирование :
Процесс введения в сплав элементов, придающих ему
требуемые свойства. Путем легирования металла шва его
пополняют элементами, содержание которых
уменьшилось вследствие выгорания их при сварке.
Легирующие элементы входят в состав проволоки
электрода, его покрытие, во флюс.
Чем лучше раскислен
наплавленный металл,
тем большее
количество
легирующего элемента
им усваивается.

10.

Рафинирование :
Процесс удаления вредных примесей из сварного шва
(сера, фосфор). Серу удаляют введением марганца,
который образует химическое соединение (сернистый
марганец), не растворимое в жидком металле, которое
полностью переходит в шлак. Фосфор также в ходе
химических реакций переходит в шлак.

11.

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 металла от воздуха или введения
в него химических элементов, удаляющих азот в виде
неметаллических включений.

12.

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.
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. Для получения сварного шва
высокого качества необходимо принять меры по защите
расплавленного металла сварочной ванны главным
образом от воздействия кислорода, азота и водорода.

13.

Взаимодействие с серой
Сера является вредной примесью в сталях.
В сварочную ванну она попадает из основного
металла, сварочной проволоки и иногда из
покрытия электродов или флюса. В металле
сера может находиться в виде соединений сульфидов. Особо вреден сульфид железа FeS,
хорошо растворимый в железе.
Наличие в металле шва серы
снижает его механические свойства и
сильно повышает склонность к
образованию трещин.

14.

Взаимодействие с серой
Десульфурация, очистка металла от серы, имеет
целью уменьшение общего содержания серы в шве и
особенно FeS.
Десульфурацию проводят введением в сварочную
ванну элементов, имеющих большее сродство к сере,
чем железо. Образующийся сульфид элемента должен
плохо растворяться в металле и хорошо в шлаке.
Таким элементом является марганец, обладающий
большим сродством к сере. Сульфид марганца не
растворяется в металле, имеет малую плотность и
легко всплывает в шлак сварочной ванны. Такого же
эффекта достигают введением кальция.

15.

Взаимодействие с фосфором
Фосфор также вредная примесь в сталях. Пути
попадания его в шов те же самые, что и для серы. В
металле фосфор находится в виде соединений - фосфидов
железа с температурой плавления много ниже, чем у
железа (1170°С).
Фосфор в металле шва располагается по
границам зерен в виде легкоплавкой прослойки и
приводит к сильной неоднородности металла,
росту зерен и снижению пластичности, особенно
при низких температурах, вызывая
хладноломкость металла.
Удаление фосфора проводят его окислением и
последующим связыванием в прочное соединение,
удаляемое в шлак.