Тема: Особенности металлургических процессов при сварке

Процесс электросварки плавлением характеризуется химическими реакциями, которые возникают между расплавленными металлом и окружающей средой.

При переносе металла с электрода в сварочную ванну капли и пары электродного металла, нагретые до высоких температур, взаимодействуют с газовой фазой и жидким шлаком. Расплавленный метал сварочной ванны также взаимодействует с газовой атмосферой, жидким шлаком и окружающим ее основным металлом.

Поэтому химический состав расплавленного металла может существенно отличаться от химического состава электродов, а зона термического влияния от исходного состояния основного металла . Это ещё усугубляется высокими температурами на отдельных участках дуги, кратковременных прибиванием металла в жидком состоянии, быстрым изменением температурного режима.

І Окисление металла и установление сродства элемента к кислороду.

Окисление металла свободным кислородом газовой фазы протекает тем интенсивнее, чем больше сродство металла к кислороду.

Степень сродства металла к кислороду можно установить по прочности образующегося оксида, которая зависит от его вида, температуры, и от давления кислорода, взаимодействующего с оксидом.

ІІ Диссоциация газов и некоторых материалов покрытий и флюсов в дуге.

При диссоциации молекулярный водород кислород и азот распадаются по следующей реакции:

H₂ ↔2H-Q

Q₂ ↔2O-Q

N₂↔2N-Q

Степень диссоциации характеризуется отношением распавшихся молекул к первоначальному числу молекул в единицах объема.

Диссоциация материалов покрытий:

Ca F2↔Ca F + F

F₂↔ 2F_Q

Взаимодействие водорода с фтором, что уменьшает вероятность насыщения наплавленного металл водородом:

Ca F₂ +H₂ ↔ Ca + 2HF↑

Диссоциация карбоната кальция:

CaCO₃ →CaO + CO₂-Q

Чем больше температура , тем больше распадается мрамор и диссоциирует углекислый газ:

2CO₂→2CO+O₂

Кислород, азот, водород и их влияние на металл шва.

Кислород при температуре дуги полностью диссоциирует и взаимодействует:

2Fe+O₂↔2FeO

6FeO+O₂↔2Fe₃O₄

4Fe₃O₄+O₂↔6Fe₂O₃

Наряду с окислением железа окисляются и другие составляющие:

С+O→CO

Mn+O→MnO

Si+O→SiO₂

FeO+C↔CO+Fe

FeO+Mn↔MnO+Fe

2FeO+Si↔SiO₂+2Fe

Процесс окисления составляющих приводит к тому, что количество полезных примесей в наплавленном металле уменьшиться, а содержание кислорода возрастает. Присутствие кислорода в металле шва резко ухудшает его механические и технологические свойства.

Азот попадает из окружающего воздуха. Он растворяется с образованием нитридов (Mn, Fe, Ti, Mo)-(Fe₂N, FeN)

Азот существенно изменяет свойства металла шва. Увеличение азота приводит к старению металла и изменению механических свойств.

Для уменьшения содержания N₂ в металле шва, сварку ведут: закрытой дугой или в углекислом газе, а также введение в металл элементов, имеющих большое сродство к азоту (Mn, Ti).

Водород поглощается в процессе сварки металлом шва из воздуха, при влажности флюса, покрытия электрода, ржавчины, на поверхности металла и проволоки.

Диссоциация:

2H₂O↔2H₂+O₂-Q

2H₂O↔2OH+H₂-Q

Водород существенно влияет на свойства наплавленного металла. Выделение водорода при охлаждении перегретого металла производит к разбрызгиванию. В остывшем металле Н₂ выделяется в виде пор внешних и внутренних.

Под влиянием Н₂ образуются трещины в основном металле.

Для уменьшения содержания Н₂ необходимо:

1. Применение прокаленных толсто покрытых электродов.

2. Зачистка свариваемых кромок от ржавчины, окалины, и прочих загрязнений.

3. Предварительный и сопутствующий подогрев.

Рафинирование металла шва

Сера и фосфор являются вредными примесями в сталях.

Сера попадает в сварочную ванну из основного металла, сварочной проволоки, покрытия и флюса.

FeS – найболее неблагоприятное серчистое железо t=940с располагается по краям зерен и является причиной горячих трещин (красноломкость).

Поэтому десульфация металла является важной металлургической операцией и достигается введением в сварочную ванну элементов, имеющих сродство к S чем к Fe и образующих соединения с высокой температурой плавления, не растворяющихся в жидкой стали (Mn).

FeS+Mn=MnS+Fe

FeS+MnO=MnS+Fe₂O

MnS – сульфид марганца t=1650c мало растворяем в жидкой фазе, а также применяется оксид кальция.

FeS+CaO=FeO+CaS

Фосфор в шве находится в виде фосфидов железа Fe₃P, Fe₂P.

Увеличение содержания Р в шве снижает вязкость особенно при низких температурах(хладноломкость). Его необходимо удалять.

2FeP+5FeO=P₂O₅+9Fe

И последующее связывание Р₂О₅ (оксида) в прочное химическое соединение, удаляемое в шлак.

3CaO+P₂O₅=Ca₃P₂O₈

4CaO+P₂O₅=Ca₄P₂O₉

При сварке электродами АНО-4 (рутил) газовая защита осуществляется за счет разложения магнезита.

MgCO₃=MgO+CO₂

И окисление целлюлозы.

Продукт окисления целлюлозы обеспечивает газовую защиту сварочной ванны.

ВСЦ-4 содержит 50% органических веществ, которые при разложении создают газовую защиту сварочной ванны.

Пористость предупреждается введением в состав покрытия-ферросимиция.

Лекція 24

І Привітання та перевірка присутніх учнів на уроці.

ІІ Опитування учнів щодо матеріалів попереднього уроку.

1. Окисление металлов.

2. Диссоциация газов H_2, N₂, O₂.

3. Взаимодействие металла с азотом, образованием нитридов.

4. Взаимодействие металла с водородом.

5. Влияние серы и фосфора.

ІІІ Тема уроку Металургійні процеси при механізованих способах зварювання

ІV Мета уроку Познайомити студентів з металургійними процессами які відбувається при механізованих процесах зварювання.

V При сварке под флюсом защита зоны сварки от окружающего воздуха более эффективна

1. Интенсивно протекают металлургические процессы между жидким флюсом и металлом . Изменяется состав шва. Металл обогащается Si и Mn.

2Fe+SiO2↔2FeO+Si

Fe+MnO↔FeO+Mn

C+O↔CO

2. На участке позади дуги имеет место раскаление металла.

3. Повышенное содержание Mn обеспечивает десульфацию металла (удаление серы) предупреждает горячие трещины. При сварке в среде CO₂ газ оттесняет от плавильной зоны окружающий воздух и защищает металл только от азотировании. При высоких температурах CO₂=CO+O CO₂ диссоциирует для подавления реакции образования СО при сварки конструкционных сталей применяют сварочную проволоку марки СВ-08ГДС.

VI Навчальні та наочні посібники управление на доске

VII Закріплення матеріалу уроку: Диссоциация СО₂ при высоких температурах. Применяемая сварочная проволока.

VIII Домашнє завдання С.И.Думов «Технология электрической сварки плавлением», Л.Машиностроение,1987 стр131-138

Тема: Металлургические процессы при механизированных способах сварки.

Металлургические процессы при сварке под флюсом.

При сварке под флюсом зашита зоны сварки от окружающего воздуха более эффективна.

Имеются следующие особенности:

1. Интенсивно протекают металлургические процессы между жидким флюсом и металлом, что изменяет состав шва.

2Fe+SiO↔2FeO+Si

Fe+MnO↔FeO+Mn

C+O↔CO

Благодаря чему металл обогащается Si и Mn.

2. На участке позади дуги при понижении температуры имеет место раскисление металла.

3. Повышенное содержание Mn обеспечивает десульфацию металла (удаление S), что предупреждает горячие трещины.

Металлургические процессы при сварке в среде СО₂, инертных газов.

При сварке инертных газов металлургические процессы протекают только между элементами в сварочной ванне, т.к инертные газы взаимодействуют.

Если при сварке содержаться некоторое количество оксида железа FeO, но при взаимодействии с «С» происходит восстановление:

FeO+C↔Fe+CO↓

СО – нерастворим в стали вызывает поры в металле шва.

Для предотвращения образования пор при сварке необходимо:

1. Введение в состав сварочной ванны раскислителей Mn, Si.

При сварке в среде СО₂ газ оттесняет от плавильной зоны окружающий воздух и защищающий металл только от азотирования за счет СО₂ и О₂ выделяющегося в высоко температурном участке зоны сварки при диссоциации СО₂ металл активно окисляется

FeO+CO₂↔FeO+CO↑

FeO+O↔FeO↓

Si+2O↔SiO₂↓

C+O↔CO↑

А на участке пониженных температур зоны сварки:

2FeO+Si↔2Fe+SiO₂↓

FeO+Mn↔Fe+MnO↓

FeO+C↔Fe+CO↑

Непрерывный уход активных раскислителей в процессе сварки и кристаллизации в атмосферу и шлак приводит к заметному уменьшению их в металле шва.

Поэтому при сварке в СО₂ низко углеродистой стали проволокой СВ-08 из за протекания реакции окисления «С» в кристализационой части сварочной ванны шва получаются пористыми.

Для подавления реакции образования СО при сварке низкоуглеродистых конструкционных сталей применяют сварочную проволоку с содержанием Si и Mn,

СВ-08ГС и СВ-08Г2С

В этом случае наплавленный металл получается хорошего качества, раскисленным при достаточном содержании Si и Mn и высокими прочностными и пластическими свойствами.