Меню Рубрики

Выгорание углерода при сварке

Выгорание углерода при сварке

Main Menu

Процессы, протекающие при плавлении и остывании металла в сварном шве

В процессе сварки расплавленный металл сварочной ванны вступает во взаимодействие с газами, находящимися в пламени горелки или в воздухе. В результате такого взаимодействия могут произойти испарение, окисление (соединение с кислородом) и выгорание компонентов (составляющих) металлического сплава, раскисление расплавленного металла, насыщение металла углеродом или водородом и другие явления.

Испарение металлов. При сварке металлы нагреваются до температуры, которая может быть равной или близкой к температуре кипения, в результате чего происходит1 их интенсивное испарение. Особенно легко испаряются цинк, магний, свинец. Испарение металлов при сварке сплавов (особенно медно-цинковых, алюминиево-магниевых, железомарганцевых и других) может привести к значительному уменьшению концентрации отдельных составляющих, что в свою очередь повлечет за собой значительное изменение свойств металла.

Окисление металла при сварке. Металл окисляется преимущественно газами пламени горелки или при проникновении кислорода воздуха из окружающей среды. Некоторое значение может иметь и окисление расплавляемого металла окислами (окалина, ржавчина), находящимися на поверхности свариваемого металла или присадочной проволоки.

Растворяясь в стали, кислород вступает в соединение не только с железом, но и с примесями, что увеличивает общее содержание кислорода в стали. Наличие кислорода в стали (в виде окислов или в чистом виде) приводит к понижению механических свойств металла.

В процессе окисления содержание в металле некоторых элементов уменьшается, так как они выгорают. Так, при сварке стали выгорают углерод, кремний и марганец. В результате выгорания указанных элементов свойства стали изменяются. Например, при выгорании углерода образуется окись углерода, которая, выходя из ванны, вызывает кипение ее и усиливает разбрызгивание металла сварочной ванны, — шов получается пористым с пониженными механическими свойствами.

Раскисление металла. При совместном существовании в жидком металле нескольких разнородных окислов между ними могут происходить химические реакции, в результате чего получаются соединения, имеющие температуру плавления ниже температуры плавления исходных окислов.

Эта особенность облегчает удаление окислов из металла, так как полученные соединения, имея низкую температуру плавления, находятся все время в жидком состоянии и легко удаляются из расплавленной ванны.

При сварке ряда металлов применяются флюсы, в состав которых входят компоненты, способствующие образованию таких легкоплавких соединений.

Таким образом, под раскислением следует понимать удаление из металла кислорода, находящегося в нем в виде различных окислов.

Процессы раскисления и окисления происходят одновременно и взаимосвязано. Так, например, восстановление окислов железа и стали в условиях сварки осуществляется преимущественно углеродом, кремнием и в небольшой степени марганцем, т. е. при этом окисляются три элемента за счет кислорода окислов железа. Возможность протекания этих реакций зависит от температуры и процентного содержания элементов.

Наличие в стали легирующих примесей (кремния, марганца, хрома, титана и др.), которые легче окисляются, уменьшает окисление углерода, так как восстановление окислов железа происходит в основном за счет окисления этих примесей.

Раскисление сварочной ванны может в некоторой степени осуществляться углеродом, окисью углерода или водородом, имеющимися в пламени 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. Нужно иметь в виду, что ацетиленокислородное пламя является слабым восстановителем, так как газы пламени действуют главным образом лишь на поверхности сварочной ванны. Поэтому газовую смесь сварочного пламени по отношению к расплавленному железу правильнее рассматривать не как раскислитель, восстанавливающий окислы железа, а как защитную среду, затрудняющую доступ кислорода к сварочной ванне и замедляющую окисление металла. Это особенно ярко выявляется при сварке высокоуглеродистых и высоколегированных сталей, а также при сварке меди, латуни, бронзы и алюминиевых сплавов, раскисление которых одним пламенем оказывается недостаточным. В таких случаях требуется применять флюсы, которые способствуют удалению окислов из металла.

Таким образом, для полного раскисления металла путем восстановления окислов, которые растворены в ванне, необходимо применять более сильные раскислители. Такими раскислителями, в частности, могут быть кремний и марганец. Вводить эти элементы можно путем применения специальных легированных присадочных проволок или путем нанесения специальных обмазок на малоуглеродистую сварочную проволоку.

Имеющиеся в проволоке отдельные примеси влияют на процесс сварки различно: одни примеси улучшают механические свойства металла шва, другие вызывают интенсивное образование газов или вязких и тугоплавких шлаков в сварочной ванне, что приводит к пористости металла шва и загрязнению его неметаллическими включениями.

Рассмотрим, как влияют отдельные элементы присадочной проволоки на процесс сварки.

Углерод при большом содержании усложняет сварку, вызывая значительное газообразование в ванне и кипение ее в процессе сварки, способствует нежелательному росту зерна металла шва и уменьшает его пластические свойства. Нормальным содержанием углерода в присадочной проволоке для сварки малоуглеродистой стали следует считать 0,06—0,18%. В присадочных стержнях для сварки серого чугуна количество углерода доводится до 3,5—4%, что необходимо для получения в шве структуры серого чугуна.

Марганец при содержании его в малоуглеродистой проволоке приблизительно до 1% является хорошим раскислителем. Более высокое содержание марганца приводит к нежелательному образованию в металле шва шлаков. Если же в присадочной проволоке наряду с высоким содержанием марганца имеет место повышенное содержание углерода, то сварной шов может приобрести склонность к закалке. В стержнях для сварки чугуна содержание марганца как элемента, способствующего отбеливанию чугуна, ограничивается 0,5-0,6%.

Кремний является раскислителем при сварке стали. При большом содержании его на поверхности ванны образуется тугоплавкий и вязкий шлак, препятствующий выходу газов из сварочной ванны при ее застывании. Металл шва при этом получается пористым и загрязненным шлаками. Поэтому в малоуглеродистой проволоке содержание кремния ограничивается 0,03%.

При раскислении и легировании наплавленного металла более благоприятные результаты дает проволока, содержащая в необходимых количествах одновременно как марганец, так и кремний.

Сера вызывает красноломкость сварного шва, способствует появлению в нем пористости и трещин. Поэтому содержание серы в проволоке допускается в количестве не более 0,03—0,04%. В чугуне сера также является вредной примесью, так как сообщает ему тугоплавкость, способствует образованию пор в металле шва. Содержание серы в чугунных прутках ограничивается 0,08%.

Фосфор вызывает хладноломкость стали, сильно понижает ее пластические свойства. Содержание фосфора в присадочной проволоке не должно быть выше 0,03—0,04%. В чугунных прутках содержание фосфора доходит до 0,5—0,8%, так как он способствует жидко текучести чугуна и хорошему заполнению расплавленным металлом резделки кромок чугунного изделия.

Помимо указанных элементов, в состав проволоки могут входить хром, никель, молибден. Содержание их в проволоке благоприятно влияет на качество сварки. Они способствуют раскислению металла шва, восполняют выгорающие элементы, улучшают химический состав металла шва.

При сварке меди для раскисления сварочной ванны применяют медную проволоку с небольшим содержанием фосфора, который является раскислителем по отношению к окиси меди.

Водород, имеющийся в пламени с избытком ацетилена, растворяясь в металле, ухудшает его свойства. Например, при сварке меди растворение водорода приводит к появлению пор и микротрещин. Аналогичные явления могут наблюдаться при растворении водорода в стали.

Растворение в металле шва серы и фосфора может происходить при большом содержании их соединений в пламени горелки. При увеличении содержания серы могут образоваться горячие трещины; Поэтому при сварке металлов, чувствительных к таким примесям (например, никеля), необходимо применять только хорошо очищенный ацетилен.

источник

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Интенсивное выгорание — углерод

Интенсивное выгорание углерода делает сварной шов пористым. На образование пористости также влияет быстрый переход чугуна из жидкого состояния в твердое, при котором газы не успевают удалиться из сварочной ванны. [1]

Интенсивное выгорание углерода делает сварной шов пористым. На образование пористости также влияет быстрый переход чугуна из жидкого состояния в твердое, при котором газы не успевают упалиться из сварочной ванны. [2]

Второй период плавки характерен интенсивным выгоранием углерода . [3]

Подается большее количество ацетилена, так как даже небольшой избыток кислорода приводит к интенсивному выгоранию углерода . [4]

Пламя применяется слегка ацетиленистое, так как даже небольшой избыток кислорода ведет к интенсивному выгоранию углерода . [6]

Подается большее количество ацетилена, так как даже небольшой избыток кислорода приводит к интенсивному выгоранию углерода . [7]

При сварке в углекислом газе происходит повышенное выгорание элементов, входящих в состав основного металла, — углерода, кремния, марганца и др. вследствие окисляющего действия кислорода, который образуется при разложении углекислого газа при высокой температуре сварочной дуги. При сварке стали обычной низкоуглеродистой проволокой в первую очередь происходит интенсивное выгорание углерода , в результате чего в шве образуются поры. [8]

Это можно объяснить тем, что при электродуговом напылении происходит более интенсивное выгорание углерода . [9]

При выплавке хромистых и хромоникелевых сталей с низким или пониженным содержанием углерода плавку ведут с применением кислорода — окислителя. Кислород, продуваемый через расплавленный металл, разогревая ванну, способствует интенсивному выгоранию углерода и частичному окислению хрома. Хром восстанавливается из шлака при дальнейшем раскислении. Окончательный химический состав хромсодержащих сталей корректируют во второй восстановительный период дополнительной присадкой феррохрома или металлического хрома. [10]

Чугун является трудносвариваемым сплавом. Трудности при сварке чугуна обусловлены его химическим составом, структурой и механическими свойствами, при сварке чугуна необходимо учитывать следующие его свойства: жидкотекучесть, поэтому сварка выполняется только в нижнем положении; малая пластичность, характеризующаяся возникновением в процессе сварки, значительных внутренних напряжений и закалочных структур, которые часто приводят к образованию трещин; интенсивное выгорание углерода , что приводит к пористости сварного шва; в расплавленном состоянии чугун окисляется с образованием тугоплавких оксидов, температура плавления которых выше, чем чугуна. Сварка чугуна применяется в основном для исправления литейных дефектов, при ремонте изношенных и поврежденных деталей в процессе эксплуатации и при изготовлении сварно-литых конструкций. [11]

При дуговой и при электроннолучевой сварке большая пористость возникала, как правило, в образцах с меньшей степенью окисления поверхности. В швах образцов, имеющих на поверхности толстые окисные пленки, поры почти полностью отсутствовали. По-видимому, избыток окислов, попадающих в шов, способствует интенсивному выгоранию углерода основного металла и удалению газообразных продуктов из шва. Небольшое количество кислорода также взаимодействует с углеродом, но реакция идет вяло и газы не успевают удаляться из шва. [13]

При газопламенном и электродуговом напылении твердость покрытия увеличивается с увеличением содержания углерода в стальной проволоке. Это можно объяснить тем, что при электродуговом напылении имеет место более интенсивное выгорание углерода . [14]

источник

Теоретические основы дуговой и электрошлаковой сварки

Особенностью сварки в углекислом газе является сравнительно сильное выгорание элементов, обладающих большим химическим сродством к кислороду (Al, Ti, Mg, Mn, Si, С и др.).

Выгорание происходит за счет окисляющего действия как углекислого газа, так и атомарного кислорода, который образуется в результате диссоциации углекислого газа под действием высокой температуры дуги (рис. 29):

В зоне сварки происходят следующие реакции:

Реакции (20), (21), (22), (23), (24) протекают в зоне высоких температур (в дуговом промежутке и в сварочной ванне вблизи дуги), а реакции (25), (26), (27) — преимущественно в зоне пониженных температур металла (в сварочной ванне вдали от дуги). При достаточном содержании раскислителей (Si, Мп и др.) в сварочной ванне реакция (27) не происходит.

Непрерывный уход окислов углерода, кремния, марганца и других элементов-раскислителей из зоны реакции в воздух (СО) или в шлак (MnO, SiO2 и др.) способствует протеканию реакций окисления.

В состав сварного шва входят основной и сварочный металлы. В результате взаимодействия жидкого металла и газа содержание элементов-раскислителей в металле шва, выполненного в углекислом газе, оказывается меньшим по сравнению с исходным содержанием.

При сварке различных сталей химический состав металла шва в зависимости от требований, предъявляемых к сварным соединениям, может быть различным.

Химический состав металла швов, выполняемых в углекислом газе, можно изменять главным образом за счет изменения химического состава электродной проволоки. Содержание элементов-раскислителей в электродной проволоке при этом способе сварки, как правило, должно быть выше, чем в свариваемом металле и металле шва.

При дуговой сварке в окислительной среде (углекислый газ, смесь аргона с кислородом) выгорание элементов в дуге значительно превосходит их выгорание в сварочной ванне. Последнее обусловлено во много раз большей поверхностью контактирования капель жидкого металла с газом, а также большей степенью диссоциации углекислого газа в дуговом промежутке по сравнению с местом контакта газа со сварочной ванной.

Температура капель металла в зоне дуги составляет примерно 2350°С, газа — 2900°С, в то время как температура металла в сварочной ванне равна 1700°С, а газа в месте соприкосновения с ванной — 2300°С. Количество углекислого газа, диссоциированного на окись углерода и кислород, составляет примерно в зоне дуги 58% и в месте контакта с ванной — 15%.

Из изложенного следует, что выгорание элементов из проволоки более значительно, чем из основного металла. Это обстоятельство нужно учитывать при выборе электродной проволоки для сварки в углекислом газе той или иной стали, особенно при многослойной сварке.

Прежде всего необходимо, чтобы металл ванны был хорошо раскислен, а содержание кремния и марганца в сварочной ванне к моменту затвердевания металла было достаточным для подавления реакции окисления углерода. В противном случае выделение СО в момент затвердевания металла вызовет образование пор в шве.

На рис. 30 показаны кривые перехода легирующих элементов в сварной шов в зависимости от содержания их в порошковой проволоке при сварке в углекислом газе.

Сваривались стыковые соединения с V-образной разделкой кромок из стали следующего состава: 0,12% углерода, 0,58% марганца, 0,25% кремния, 0,90% хрома, 0,52% молибдена, 0,24% ванадия.

Проволоки с различной концентрацией титана имели практически одинаковое содержание других элементов: 0,14% углерода, 2,7% марганца, 0,9% кремния, 0,9% хрома, 0,5% молибдена, 0,4% ванадия.

Из рис. 30 видно, что с увеличением содержания марганца в проволоке уменьшается выгорание кремния и, наоборот, с увеличением содержания кремния уменьшается выгорание марганца.

Молибден практически не выгорает и почти полностью переходит в шов; выгорание хрома также незначительно. Ванадий выгорает более интенсивно, чем хром, но меньше, чем кремний. Несмотря на меньшее химическое сродство к кислороду, марганец выгорает больше, чем кремний.

Это объясняется окислением не только капель электродного металла при их переносе через дуговой промежуток, но и паров марганца, поступающих в газовую фазу из сварочной ванны вследствие низкой температуры его испарения.

Рис. 30. Изменение химического состава наплавленного в углекислом газе металла (пятого слоя шва) в зависимости от содержания элементов в сварочной порошковой проволоке диаметром 3 мм.

Введение титана в электродную проволоку при прочих равных условиях значительно уменьшает выгорание марганца, кремния, ванадия и меньше — углерода.

Если в свариваемом и присадочном металлах углерода содержится более 0,06—0,07%, то он выгорает. По мере повышения исходной концентрации выгорание углерода увеличивается, достигая 50% и более. При исходной же концентрации его менее 0,06—0,07% наблюдается науглероживание наплавленного металла за счет газовой среды.

Таблица. Зависимость изменения содержания углерода от исходной концентрации.

Содержание углерода в электродной проволоке, %

Содержание углерода в металле, наплавленном в углекислом газе на медную пластинку, %

источник

Выгорание углерода при сварке

Main Menu

Процессы, протекающие при плавлении и остывании металла в сварном шве

В процессе сварки расплавленный металл сварочной ванны вступает во взаимодействие с газами, находящимися в пламени горелки или в воздухе. В результате такого взаимодействия могут произойти испарение, окисление (соединение с кислородом) и выгорание компонентов (составляющих) металлического сплава, раскисление расплавленного металла, насыщение металла углеродом или водородом и другие явления.

Испарение металлов. При сварке металлы нагреваются до температуры, которая может быть равной или близкой к температуре кипения, в результате чего происходит1 их интенсивное испарение. Особенно легко испаряются цинк, магний, свинец. Испарение металлов при сварке сплавов (особенно медно-цинковых, алюминиево-магниевых, железомарганцевых и других) может привести к значительному уменьшению концентрации отдельных составляющих, что в свою очередь повлечет за собой значительное изменение свойств металла.

Окисление металла при сварке. Металл окисляется преимущественно газами пламени горелки или при проникновении кислорода воздуха из окружающей среды. Некоторое значение может иметь и окисление расплавляемого металла окислами (окалина, ржавчина), находящимися на поверхности свариваемого металла или присадочной проволоки.

Растворяясь в стали, кислород вступает в соединение не только с железом, но и с примесями, что увеличивает общее содержание кислорода в стали. Наличие кислорода в стали (в виде окислов или в чистом виде) приводит к понижению механических свойств металла.

В процессе окисления содержание в металле некоторых элементов уменьшается, так как они выгорают. Так, при сварке стали выгорают углерод, кремний и марганец. В результате выгорания указанных элементов свойства стали изменяются. Например, при выгорании углерода образуется окись углерода, которая, выходя из ванны, вызывает кипение ее и усиливает разбрызгивание металла сварочной ванны, — шов получается пористым с пониженными механическими свойствами.

Раскисление металла. При совместном существовании в жидком металле нескольких разнородных окислов между ними могут происходить химические реакции, в результате чего получаются соединения, имеющие температуру плавления ниже температуры плавления исходных окислов.

Эта особенность облегчает удаление окислов из металла, так как полученные соединения, имея низкую температуру плавления, находятся все время в жидком состоянии и легко удаляются из расплавленной ванны.

При сварке ряда металлов применяются флюсы, в состав которых входят компоненты, способствующие образованию таких легкоплавких соединений.

Таким образом, под раскислением следует понимать удаление из металла кислорода, находящегося в нем в виде различных окислов.

Процессы раскисления и окисления происходят одновременно и взаимосвязано. Так, например, восстановление окислов железа и стали в условиях сварки осуществляется преимущественно углеродом, кремнием и в небольшой степени марганцем, т. е. при этом окисляются три элемента за счет кислорода окислов железа. Возможность протекания этих реакций зависит от температуры и процентного содержания элементов.

Наличие в стали легирующих примесей (кремния, марганца, хрома, титана и др.), которые легче окисляются, уменьшает окисление углерода, так как восстановление окислов железа происходит в основном за счет окисления этих примесей.

Раскисление сварочной ванны может в некоторой степени осуществляться углеродом, окисью углерода или водородом, имеющимися в пламени 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. Нужно иметь в виду, что ацетиленокислородное пламя является слабым восстановителем, так как газы пламени действуют главным образом лишь на поверхности сварочной ванны. Поэтому газовую смесь сварочного пламени по отношению к расплавленному железу правильнее рассматривать не как раскислитель, восстанавливающий окислы железа, а как защитную среду, затрудняющую доступ кислорода к сварочной ванне и замедляющую окисление металла. Это особенно ярко выявляется при сварке высокоуглеродистых и высоколегированных сталей, а также при сварке меди, латуни, бронзы и алюминиевых сплавов, раскисление которых одним пламенем оказывается недостаточным. В таких случаях требуется применять флюсы, которые способствуют удалению окислов из металла.

Таким образом, для полного раскисления металла путем восстановления окислов, которые растворены в ванне, необходимо применять более сильные раскислители. Такими раскислителями, в частности, могут быть кремний и марганец. Вводить эти элементы можно путем применения специальных легированных присадочных проволок или путем нанесения специальных обмазок на малоуглеродистую сварочную проволоку.

Имеющиеся в проволоке отдельные примеси влияют на процесс сварки различно: одни примеси улучшают механические свойства металла шва, другие вызывают интенсивное образование газов или вязких и тугоплавких шлаков в сварочной ванне, что приводит к пористости металла шва и загрязнению его неметаллическими включениями.

Рассмотрим, как влияют отдельные элементы присадочной проволоки на процесс сварки.

Углерод при большом содержании усложняет сварку, вызывая значительное газообразование в ванне и кипение ее в процессе сварки, способствует нежелательному росту зерна металла шва и уменьшает его пластические свойства. Нормальным содержанием углерода в присадочной проволоке для сварки малоуглеродистой стали следует считать 0,06—0,18%. В присадочных стержнях для сварки серого чугуна количество углерода доводится до 3,5—4%, что необходимо для получения в шве структуры серого чугуна.

Марганец при содержании его в малоуглеродистой проволоке приблизительно до 1% является хорошим раскислителем. Более высокое содержание марганца приводит к нежелательному образованию в металле шва шлаков. Если же в присадочной проволоке наряду с высоким содержанием марганца имеет место повышенное содержание углерода, то сварной шов может приобрести склонность к закалке. В стержнях для сварки чугуна содержание марганца как элемента, способствующего отбеливанию чугуна, ограничивается 0,5-0,6%.

Кремний является раскислителем при сварке стали. При большом содержании его на поверхности ванны образуется тугоплавкий и вязкий шлак, препятствующий выходу газов из сварочной ванны при ее застывании. Металл шва при этом получается пористым и загрязненным шлаками. Поэтому в малоуглеродистой проволоке содержание кремния ограничивается 0,03%.

При раскислении и легировании наплавленного металла более благоприятные результаты дает проволока, содержащая в необходимых количествах одновременно как марганец, так и кремний.

Сера вызывает красноломкость сварного шва, способствует появлению в нем пористости и трещин. Поэтому содержание серы в проволоке допускается в количестве не более 0,03—0,04%. В чугуне сера также является вредной примесью, так как сообщает ему тугоплавкость, способствует образованию пор в металле шва. Содержание серы в чугунных прутках ограничивается 0,08%.

Фосфор вызывает хладноломкость стали, сильно понижает ее пластические свойства. Содержание фосфора в присадочной проволоке не должно быть выше 0,03—0,04%. В чугунных прутках содержание фосфора доходит до 0,5—0,8%, так как он способствует жидко текучести чугуна и хорошему заполнению расплавленным металлом резделки кромок чугунного изделия.

Помимо указанных элементов, в состав проволоки могут входить хром, никель, молибден. Содержание их в проволоке благоприятно влияет на качество сварки. Они способствуют раскислению металла шва, восполняют выгорающие элементы, улучшают химический состав металла шва.

При сварке меди для раскисления сварочной ванны применяют медную проволоку с небольшим содержанием фосфора, который является раскислителем по отношению к окиси меди.

Водород, имеющийся в пламени с избытком ацетилена, растворяясь в металле, ухудшает его свойства. Например, при сварке меди растворение водорода приводит к появлению пор и микротрещин. Аналогичные явления могут наблюдаться при растворении водорода в стали.

Растворение в металле шва серы и фосфора может происходить при большом содержании их соединений в пламени горелки. При увеличении содержания серы могут образоваться горячие трещины; Поэтому при сварке металлов, чувствительных к таким примесям (например, никеля), необходимо применять только хорошо очищенный ацетилен.

источник

Металлургические процессы и основные реакции при сварке

ОСНОВНЫЕ РЕАКЦИИ В ЗОНЕ СВАРКИ

При ручной дуговой сварке электродами с толстым слоем покрытия химические реакции между металлом, шлаком и газами дуги протекают в момент перехода капель расплавленного металла электрода и покрытия через дуговой промежуток при температуре 2100—2300° С. Дальнейшие химические и физические процессы протекают в сварочной ванне. При сварке под флюсом основные химические реакции происходят только в сварочной ванне под слоем расплавленного флюса.

Рассмотрим основные реакции в зоне сварки для стали, как наиболее распространенного металла, подвергаемого сварке.

Окисление. Кислород является наиболее вредной примесью в зоне сварки, так как окисляет элементы, входящие в состав металла шва, и ухудшает его качество, образуя химические соединения — окислы. Окисление элементов в основном происходит за счет кислорода, содержащегося в газах и шлаках сварочной зоны. В меньшей степени окисление может быть вызвано кислородом поверхностных окислов свариваемого металла (окалины, ржавчины). При случайном увеличении длины дуги капли электродного металла могут окисляться кислородом окружающего воздуха.

С железом кислород образует три окисла:

При окислении сперва образуется закись железа, которая в дальнейшем при соответствующих условиях (температуре, соотношение кислорода и железа в сварочной ванне) может переходить в окись и закись-окись железа. При окислении железа в процессе сварки основное значение имеет закись железа, так как только она способна растворяться в жидком металле.

Когда содержание кислорода в стали достигнет 0,035%, избыточный кислород будет выделяться из раствора в виде закиси-окиси железа и располагаться между зернами металла.

В общем виде реакцию между элементом металла и кислородом можно выразить следующей формулой

где Me — масса элемента металла;

О2 — масса кислорода; m и n — численные коэффициенты формулы химической реакции.

Стрелки указывают направление реакции: направо — окисление, налево — восстановление металла из его окисла (раскисление) .

Химические реакции в зоне сварки протекают не до конца, а до некоторого равновесного состояния между исходными веществами и продуктами реакции. Равновесное состояние характеризуется одновременным присутствием в зоне реакции как свободного металла, так и его окисла в определенных соотношениях. Состояние равновесия зависит в первую очередь от количеств (концентрации) реагирующих веществ, температуры и давления в зоне реакции.

Равновесное состояние определяется величиной константы равновесия, вычисляемой по формуле

где Me и О — содержание в % массы элемента (Me) и кислорода (О) в зоне реакции; m ип — численные коэффициенты формулы реакции.

Величина константы равновесия позволяет определить направление реакции. Чем больше произведение концентраций вступающих в реакцию веществ (т. е. числитель в формуле константы равновесия) по сравнению с равновесной и чем меньше концентрация продуктов реакции (т. е. знаменатель в формуле константы) по сравнению с равновесной, тем энергичнее будет протекать реакция вправо в сторону окисления. При обратном соотношении, когда подсчитанная константа будет меньше равновесной, реакция пойдет влево и будет происходить восстановление металла из его окислов. Кроме соотношения концентраций реагирующих веществ на направление реакции сильно влияет ее температура, поэтому сравнение производят для одинаковых температур в зоне реакции.

Концентрации реагирующих веществ определяют только направление реакции. Возможность же данной реакции обусловлена химическим сродством участвующих в ней веществ, в данном случае сродством к кислороду.

При наличии в свариваемом металле нескольких элементов они начинают окисляться все одновременно, но те элементы, у которых сродство к кислороду при данной температуре больше, будут окисляться интенсивнее и полнее.

При сварке стали в первую очередь окисляется железо, являющееся основным элементом. Другие элементы окисляются тем быстрее, чем больше химическое сродство данного элемента с кислородом. По степени уменьшения химического сродства с кислородом элементы могут быть поставлены в следующий ряд: алюминий, титан, кремний, марганец, хром, молибден, железо, никель, медь. Углерод при повышении температуры увеличивает активность к кислороду и при 1700° С превышает своей активностью титан, а при 2100° С — алюминий.

По мере уменьшения в зоне реакции концентрации элементов, обладающих большим сродством к кислороду, скорость их окисления падает. Соответственно возрастает скорость окисления других элементов, обладающих меньшим сродством с кислородом, которые начинают выгорать более интенсивно до тех пор, пока их концентрация не уменьшится до равновесной и не прекратится реакция окисления. Такой процесс последовательного увеличения скорости окисления отдельных элементов продолжается до тех пор, пока концентрации всех элементов не будут соответствовать равновесным, после чего процессы окисления металла в сварочной ванне прекратятся.

При сварке стали окисление железа может происходить также под действием кислорода газов: СО, С02 и паров воды Н20 по реакциям:

Марганец и кремний, обладающие высоким сродством к кислороду, могут интенсивно выгорать при сварке стали. Выгорание углерода при сварке стали протекает по реакциям:

При нагреве ржавого металла присутствующая в ржавчине влага испаряется, а содержащийся в ней кислород окисляет свариваемый металл. Если кромки покрыты окалиной, то последняя при плавлении переходит в закись железа (FeO) с выделением кислорода. Кислород закиси железа и выделившийся из окалины свободный кислород также окисляют металл шва.

Присутствие кислорода в металле шва в виде твердого раствора или включений окислов, в первую очередь, сказывается на ухудшении механических свойств наплавленного металла: понижаются временное сопротивление, предел текучести, относительное удлинение, ударная вязкость. Кроме того, кислород снижает стойкость металла против коррозии, повышает склонность к старению, делает металл хладноломким и красноломким.

Таким образом, главным условием получения наплавленного металла высокого качества является защита его от окисления кислородом окружающей среды. Это достигается созданием вокруг расплавленного металла защитной среды из газов и шлаков, а также раскислением металла шва.

Раскисление. Процесс удаления кислорода из наплавленного металла с целью повышения его качества называется раскислением. Реакции раскисления выражаются тем же уравнением, что и окисления, но протекают в обратном порядке, т. е. справа налево.

Раскисление осуществляется или взаимодействием между наплавленным металлом и шлаком, или путем введения в сварочную ванну элементов — раскислителей, обладающих большим сродством с кислородом, чем железо. Благодаря защите расплавленного металла газами, шлаками и раскислению содержание кислорода в наплавленном металле при сварке толстопокрытыми электродами и под флюсом очень невелико и практически составляет 0,005—0,060%. При сварке же электродами с тонким (меловым) покрытием содержание кислорода в металле шва много выше и может достигать 0,25%. Для сравнения укажем, что содержание кислорода в электродной проволоке не превышает 0,018%. Раскислители вводят в состав сварочной проволоки или электродных покрытий и флюсов, откуда они поступают в сварочную ванну.

Рассмотрим некоторые наиболее типичные реакции раскисления.

Раскисление кремнием и марганцем происходит по реакциям:

Образующиеся при этом двуокись кремния (Si02) и закись марганца (МпО) плохо растворимы в жидком металле и переходят в шлак. Закись марганца способна растворять в себе до 60% закиси железа, выводя таким образом основное количество FeO в шлак.

Закись железа, закись марганца и двуокись кремния по химическим свойствам являются основаниями и могут вступать в реакцию с кислотными окислами, образуя соединения типа 2Fe0-Si02, 2Mn0•Si02 (силикаты) и 2FeO • Ti02 (титанаты). Эти соединения почти не растворимы в жидком металле и полностью остаются в шлаке, что способствует очистке металла от указанных окислов.

Окислы по химическим свойствам могут быть кислые и основные. К кислым относятся: двуокись кремния (Si02) и двуокись титана (Ti02). К основным — окись кальция (СаО), закись железа (FeO), закись марганца (МпО), окись натрия (Na20), окись калия (К20) и окись магния (MgO).

Если в шлаках, образующихся при сварке, преобладают кислые окислы, то такие шлаки, а также образующие их покрытия и флюсы, называются кислыми. Преобладание в шлаке основных окислов, наоборот, придает ему химические свойства основания. Соответственно, электродные покрытия и флюсы, дающие основные шлаки, называются основными.

При использовании кислых покрытий и флюсов для сварки сталей с повышенным содержанием кремния, хрома и марганца окислы этих элементов могут оставаться в металле шва, увеличивая содержание в нем кислорода, что приводит к снижению ударной вязкости. Поэтому для сварки таких сталей лучше использовать основные покрытия и флюсы. Основные покрытия и флюсы дают основные шлаки, содержащие преимущественно окись кальция (СаО), которая не может отнимать кислород от окислов металла. Поэтому для раскисления наплавленного металла в основные покрытия и флюсы вводят ферросплавы: ферросилиций и ферротитан. В этом случае главными реакциями раскисления при основных покрытиях и флюсах будут — раскисление кремнием:

Эти реакции протекают без газообразования, и сварочная ванна остается спокойной. Поэтому покрытия основного характера называют также спокойными. Основные электродные покрытия дают наплавленный металл с высокими механическими свойствами.

Раскисление углеродом. С кислородом окислов углерод взаимодействует главным образом в момент расплавления электрода и только в зоне наиболее высоких температур сварочной ванны.

Раскисление углеродом происходит по реакции FeOMeTмет = FeMеT + СОатм

Образовавшаяся газообразная окись углерода (СО) выделяется в атмосферу, вызывая сильное кипение сварочной ванны. Поэтому кислые покрытия иногда называют кипящими.

Если кремния в металле шва недостаточно, то раскисление будет происходить преимущественно за счет углерода с образованием СО, избыточное количество которой не успевает выделиться из твердеющего металла и остается в нем, образуя газовые поры. Для получения плотного беспористого шва необходимо подавлять реакцию окисления углерода повышением содержания кремния до 0,2—0,3% в металле сварочной ванны. При понижении содержания кремния в металле шва до 0,12% и ниже неизбежно образование большого количества пор.

Раскисление алюминием. Выше указывалось, что алюминий обладает большим сродством к кислороду. Однако окись алюминия (А1203) не растворима в жидком металле и медленно переходит в шлак. Кроме того, алюминий способствует окислению углерода, что вызывает пористость шва. Поэтому алюминий как раскислитель при сварке стали применяется редко и вводится в металл шва только тогда, когда нужно уменьшить (подавить) реакции окисления других легкоокисляемых элементов, например титана, но имеющих меньшее сродство с кислородом, чем алюминий.

Влияние азота. Азот поглощается расплавленным металлом из окружающего воздуха. Под действием высоких температур сварочной дуги азот частично переходит в атомарное состояние и растворяется в жидком металле. В процессе охлаждения сварочной ванны азот выделяется из раствора и, взаимодействуя с металлом и его окислами, образует химические соединения, называемые нитридами: Fe2N, Fe4N, MnN, SiN. Нитриды в стали повышают ее прочность и твердость, но сильно уменьшают пластичность. Поэтому азот является вредной примесью в наплавленном металле.

Наибольшее насыщение металла азотом дает дуговая сварка длинной дугой и голыми электродами (до 0,2% N2), наименьшее — сварка под флюсом (0,002% N2). При сварке покрытыми электродами содержание азота в металле шва может достигать 0,02— 0,05%. С увеличением тока содержание азота в наплавленном Металле уменьшается. Увеличение содержания углерода и особенно марганца в присадочной проволоке или покрытии электрода значительно снижает содержание азота в наплавленном металле. При газовой сварке содержание азота в металле незначительно и составляет 0,015—0,02%.

Влияние серы. Сера является вредной примесью в стали. Она образует сернистое железо (сульфид железа FeS), которое имеет температуру плавления 1193° С, т. е. более низкую, чем сталь. Поэтому при кристаллизации стали сернистое железо остается еще в жидком виде в прослойках между кристаллами сплава и является одной из причин образования горячих трещин при сварке. Серу удаляют введением марганца, который образует с ней химическое соединение — сернистый марганец (MnS) по реакциям:

FeS + Mn = MnS + Fe FeS + МпО = MnS + FeO

Сернистый марганец не растворяется в жидком металле и полностью переходит в шлак.

Удалению серы способствует также окись кальция; при этом происходит реакция

Влияние фосфора. Присутствие фосфора вызывает неоднородность металла шва, рост зерен и снижение пластичности, особенно при низких температурах (хладноломкость). Он присутствует в металле шва в виде фосфидов железа Fe3P и Fе2Р. Удаление фосфора происходит при реакциях:

Получаемые соединения фосфора переходят в шлак. Основные шлаки лучше удаляют фосфор из металла, чем кислые.

Влияние водорода. Водород является вредной примесью в стали. При температуре дуги молекулы водорода распадаются (диссоциируют) на атомы, а атомы водорода способны хорошо растворяться в наплавленном металле.

При остывании и затвердевании металла атомы водорода вновь соединяются в молекулы, которые собираются в отдельных местах шва, образуя газовые пузырьки. Водород не всегда успевает полностью выделиться из металла и вызывает появление в нем пористости, мелких трещин и флокенов. Сталь с флокенами является хрупкой, в изломе флокены имеют вид светлых пятен и не выявляются обычными методами контроля сварных швов без разрушения.

Источником насыщения металла водородом является влага, содержащаяся в электродном покрытии, флюсах и окружающем воздухе или находящаяся на поверхности свариваемого металла в виде воды, снега, инея. Кроме того, водород содержится в ржавчине, которая может быть на сварочной проволоке или кромках металла.

Атомы водорода несут в себе отрицательный заряд и поэтому при сварке на постоянном токе прямой полярности стремятся к аноду, которым в данном случае является свариваемый металл. При такой сварке металл насыщается водородом больше, чем при сварке постоянным током обратной полярности, когда свариваемый металл является катодом, и отталкивает атомы водорода. При сварке на переменном токе металл в большей степени насыщается водородом, чем при сварке постоянным током обратной полярности, Это обусловлено тем, что при сварке на переменном токе в момент перехода тока через нулевое значение жидкий металл не защищен действием электрического поля дуги и доступен для растворения в нем атомов водорода.

Автор: Администрация Общая оценка статьи: Опубликовано: 2012.05.17

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

источник

Adblock
detector