 |
Лекция № 3 (2 часа). 3. Металлургические процессы при сварке плавлением. Основные реакции в зоне сварки. Особенности металлургических процессов при различных видах сварки
|
|
|
|
Лекция № 3 (2 часа)
3. МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ СВАРКЕ ПЛАВЛЕНИЕМ. ОСНОВНЫЕ РЕАКЦИИ В ЗОНЕ СВАРКИ. ОСОБЕННОСТИ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ВИДАХ СВАРКИ
3. 1. Металлургические процессы при сварке плавлением
В процессе сварки плавлением в сварочной ванне в течение короткого промежутка времени происходят сложные процессы взаимодействия различных компонентов. Металлы заготовок и дополнительный металла, вводимый в сварочную ванну, состоят из основного металла, легирующих элементов, растворённых газов и посторонних включений. Все эти компоненты взаимодействуют друг с другом, с газами атмосферы, жидким металлом сварочной ванны, материалом покрытий и образующейся шлаковой ванной. В результате по химическому составу и свойствам сварной шов может значительно отличаться от металлических компонентов сварочной зоны.
При дуговой сварке, на открытом воздухе расплавленный металл интенсивно взаимодействует с содержащимся в атмосфере азотом и кислородом. В результате насыщения металла этими газами механические свойства сварного соединения ухудшаются. При сварке низкоуглеродистой стали относительное удлинение металла шва составляет всего 5…10% (у самой стали – 25…30%), а ударная вязкость 5…25 Дж/см2 (у самой стали – не менее 90 Дж/см2). Поэтому главным условием получения сварного соединения является создание надёжной защиты расплавленного металла от атмосферы воздуха.
При ручной сварке покрытыми электродами такую защиту обеспечивают образующиеся при расплавлении покрытия газы и жидкий шлак, изолирующие от воздуха, как сварочную ванну, так и капли электродного металла.
|
|
|
При выполнении дуговой сварки под флюсом дуга горит под слоем сварочного флюса, применяют непокрытый электрод (сварочную проволоку), место горения дуги и ванна расплавленного металла закрыта слоями порошкообразного (30…50 мм) и расплавленного флюса. Пары газов, получаемые в зоне сварки, обеспечивают защиту сварочной ванны от контакта с воздухом.
В случае выполнения дуговой сварки в защитных газах дуга и расплавленный металл, а иногда и остывающий шов, находятся в защитном газе, подаваемом в зону сварки с помощью специальных устройств. Защитные газы обеспечивают заданную атмосферу и физическую изоляцию нагретого до высокой температуры и расплавленного основного и электродного металла от контакта с воздухом в зоне сварки, предохраняют расплавленный металл от окисления и азотирования.
Вместе с тем абсолютная изоляция расплавленного металла от воздуха при дуговой сварке невозможна (исключение составляет сварка в герметичной камере с контролируемой атмосферой). Какая-то часть воздуха попадает в зону дуги и реагирует с расплавом. Кроме того, сами средства защиты – газовая и шлаковая фазы, не являются нейтральными по отношению к электродным каплям и сварочной ванне и также вступают во взаимодействие с расплавленным металлом. Таким образом, например, при ручной дуговой сварке протекают высокотемпературные процессы взаимодействия расплавленного металла (электродных капель и сварочной ванны) с окружающими его газовой и шлаковой фазами. Такие процессы, связанные с получением металла шва сварного соединения, называют сварочными металлургическими процессами.
Если термический цикл сварки оказывает основное воздействие на зону термического влияния, то происходящие при сварке металлургические процессы непосредственно воздействуют на структурный, фазовый и химический составы и, как следствие, на свойства и качество металла шва. В некоторых случаях они затрагивают зону сплавления и зону термического влияния (ЗТВ). Поэтому металлургические процессы требуют к себе повышенного внимания, ими можно, зная их природу и особенности, управлять.
|
|
|
Сварочные металлургические процессы по своему характеру и кинетике значительно отличаются от подобных процессов, имеющих место в большой металлургии, где они протекают в течение длительного времени в относительно спокойном и равновесном состоянии. Для сварки характерны следующие особенности (применительно к ручной дуговой сварке):
- малая масса расплавленного металла (масса капли до 0, 4…0, 5 г, сварочной ванны – до 4…5 г);
- короткое время существования (взаимодействия) металла в жидком состоянии (капли – до 0, 4…0, 5 с, сварочной ванны – до 6…8 с);
- быстрый отвод теплоты от сварочной ванны в прилегающие к ней участки основного металла;
- высокая скорость нагрева, сопровождаемая перегревом расплавленного металла на 500…800оС выше температуры плавления;
- очень высокая температура окружающей расплавленный металл газовой фазы, приближающийся к температуре дуги (до 5200…5600оС);
- постоянное движение капли, металла сварочной ванны, шлаковой и газовой фазы; существенное различие температур металла в капле (2100…2300оС), головной (1700…2100оС) и хвостовой (1500…1700оС) частях ванны;
- одномоментное протекание различных стадий металлургического процесса – раскисления, легирования, рафинирования и др.
Отмеченные особенности сварки, с одной стороны, ускоряют реакции взаимодействия газовой, шлаковой и металлической фаз из-за их высокой температуры, развитой удельной поверхности расплавленного металла (капель), постоянного поступления в реакционную зону новых порций непрореагировавших веществ. С другой стороны, они диктуют кратковременность протекающих реакций вследствие малого объёма и интенсивного охлаждения расплавленного металла (ванны), в результате чего активно проходящие реакции, как правило, не успевают завершиться и не достигают равновесия, обрываясь на определённой стадии. Более того, из-за разницы температур металла в каплях, головной и хвостовой частях ванны некоторые реакции взаимодействия фаз могут вообще идти в противоположных направлениях.
|
|
|
Сложность проходящих при сварке металлургических процессов часто затрудняет получение сварных швов с требуемыми свойствами. Особенно это касается металлов, чувствительных к реакциям с газовой и шлаковой фазами.
Высокая температура в зоне дуги способствует выгоранию примесей из расплавленного металла и, тем самым, изменяет химический состав свариваемого металла. Небольшой объём ванны расплавленного металла (при ручной дуговой сварке он составляет 0, 5…1, 5 см3, при автоматической сварке – 24…300 см3) при интенсивном отводе тепла в металл, окружающий ванну, не даёт возможности полностью завершиться всем реакциям взаимодействия между жидким металлом, газами и расплавленным шлаком. Большие скорости нагрева и охлаждения значительно ускоряют процесс кристаллизации, приводят к образованию закалочных структур, трещин и других дефектов. Структурные изменения в металле околошовной зоны происходят под действием теплоты. Они приводят к ослаблению сварного шва. На расплавленный металл существенное воздействие оказывают газовая среда и расплавленный шлак.
|
|
|
