1. Упрочнение литого металла шва при сварке

1 – основной металл (металл изднлия); 2 – сварной шов; 3 – зона термического влияния (часть основного металла, непосредственно примыкающая к шву, в которой произошли структурные изменения или изменились механические свойства основного металла).

Поверхность, по которой сварной шов соприкасается с основным металлом – зона сплавления. На поперечном разрезе сварного соединения это – линия сплавления.

Часть зоны термического влияния, непосредственно примыкающая к сварному шву (протяженностью в несколько сотых долей мм) называют околошовной зоной.

Сварной шов имеет литую структуру, в которой кристаллиты в поперечном сечении шва ориентированы по направлению от линии сплавления к середине шва (в направлении теплоотвода): .

Для обеспечения прочности литого металла сварного шва обработанному давлением металлу изделия (прокат, штамповки), сварной шов при сварке с целью упрочнения легируют марганцем, кремнием, хромом и т.д.

2. Основные металлургические процессы при сварке

Окисление металла шва. В сварочной дуге водяной пар (из обмазки, флюса или как примесь к углекислому газу), углекислый газ и молекулярный кислород разлагаются

Н₂О  2Н + О;

СО₂  СО + О;

О₂  2О.

Затем кислород реагирует с расплавленным металлом сварочной ванны по реакции

Fe + O  FeО

и образующийся оксид железа растворяется в сварочной ванне.

Углекислый газ (сварка в углекислом газе, сварка качественными покрытыми электродами или сварка самозащитной прошковой проволокой) при высоких температурах сам является окислителем и взаимодействует с расплавом сварочной ванны по реакции

CO₂ + Fe  FeO + CO.

Кроме того, поверхностные оксиды (окалина) расплавляются и перемешиваются с расплавленным металлом сварочной ванны.

При наличии над сварочной ванной расплава шлака (расплавленные флюс или электродная обмазка, или сердечник порошковой проволоки) металл сварочной ванны окисляется оксидами шлака. Этот процесс протекает в перегретой части сварочной ванны, т.е. в ее головной части по реакции

(MnO) + [Fe]  [Mn] + [FeО] – Q.

Перераспределившийся в результате перемешивания конвективными потоками по объему ванны FeO вступает в химическую реакцию с углеродом стали, в результате которой обрадуется оксид углерода (угарный газ)

FeO + C = Fe + CO. (*)

При этом CO образует пузырьки, которые не успевают всплывать из-за быстро протекающего процесса кристаллизации и в шве в большом количестве появляются поры  . Такой сварной шов не является качественным и имеет очень низкую прочность.

Для уменьшения негативного воздействия кислорода в сварочную ванну при сварке добавляют раскислители.

При использовании раскислителей содержание кислорода в сварном шве составляет, например, при сварке покрытыми электродами, 0,03-0,1% масс. (при сварке под водой до 0,22%).

Негативное влияние кислорода на свойства металла сварного шва представлено на рис. 1.

Рис. 1. Влияние общего содержания кислорода на ударную вязкость, временное сопротивление, условный предел текучести и относительное удлинение металла сварного шва при дуговой сварке низкоуглеродистой стали

Раскисление металла шва. Раскисление (так в металлургии называется технологическая операция удаления кислорода из расплавленной стали) в большинстве сварочных процессов осуществляется Si и Mn. Процесс раскисления протекает в хвостовой части сварочной ванны по реакциям

[Si] + [2FeO]  [2Fe] + (SiO₂), (**)

[Mn] + [FeO]  [Fe] + (MnO), (***)

где квадратные скобки указывают на то, что данный химический элемент или соединение находятся в расплавленном металле, а круглые скобки – в шлаке.

Реакции раскисления (**) и (***) протекают со значительно большей скоростью, чем реакция образования оксида углерода (*). Поэтому количество пор в сварном шве резко уменьшается, но появляются шлаковые включения, так как все частички SiO₂ и MnO не успевают вплыть из объема сварочной ванны на ее поверхность при сварке и частично остаются в сварном шве

Более сильными раскислителями, чем Si и Mn являются такие металлы, как Cr, Ti, Al и др. Самые сильные раскислители – это редкоземельные металлы.

Наличие сильных раскислителей при сварке с защитой сварочной ванны углекислым газом нежелательно, так как они вызывают науглероживание металла.

Например, при наличии Al на поверхности сварочной ванны, контактирующей с CO (CO, как уже рассматривалось образуется в сварочной дуге при распаде CO₂) протекает химическая реакция

2[Al]+3CO  (Al₂O₃) +3[C].

В результате концентрация углерода в металле сварного шва увеличивается на 0.1-0.2%. Если в сварочной ванне присутствует Cr, то концентрация углерода в шве вырастет еще на 0.01-0.03%.

Перечисленные реакции относятся к так называемому осаждающему раскислению. При сварке протекают также процессы диффузионного раскисления, связанные с переходом продуктов раскисления ((SiO₂, MnO, Al₂O₃ и др.) в шлак диффузионным путем и обусловленное этим смещение направления реакций раскисления в сторону интенсификации раскислительных процессов.

Рафинирование металла шва при сварке плавлением. Рафинирование – это процесс очистки металла от нежелательных примесей. К таким примесям относят азот, водород, серу и фосфор. Рафинирование в условиях сварки плавлением возможно по водороду, серы и фосфору.

Водород. Очистка металла сварочной ванны по водороду производится с помощью шлаков, содержащих плавиковый шпат (CaF₂), например, при сварке под флюсом ОСЦ-45, или при сварке покрытыми электродами марки ЦУ-5 (для сварки корневых швов толстостенных трубопроводов н постоянном токе обратной полярности). При этом протекают следующие химические реакции

2(CaF₂)+3(SiF₂)  2(CaSiO₂)+ (SiF₄)

(SiF₄)+3[H]  (SiF)+3HF

(SiF₄)+2H₂O  (SiO₂)+4HF

В результате процесса очистки металла сварочной ванны от водорода из нее выделяется HF (плавиковая кислота).

Несмотря на возможность использования рассмотренных химических реакций, основным методом борьбы с насыщением металла шва водородом при сварке является уменьшение содержания источников водорода (вода и органические загрязнения) в сварочных материалах (флюс, защитный газ, обмазка покрытых электродов).

Сера. Сера приводит к красноломкости металла шва и образованию горячих трещин. (красноломкость – появление трещин во время горячей обработки давлением).

Чем больше серы в стали, тем выше красноломкость и выше склонность металла к образованию горячих трещин.

Сера попадает в сварной шов из основного металла (при его низком качестве). В сварочной проволоке, флюсе, защитных газах и покрытых электродах серы очень мало. При газовой сварке значительное количество серы переходит в металл из ацетилена.

Для удаления серы из сварочной ванны ее связывают в нерастворимые в металле сульфиды, в основном Mn и Ca с помощью шлаков, содержащих MnO, например, при сварке под флюсом ФЦ-3 (высококремнисто-марганцовистый), или Cao, например, при сварке под флюсом ТА.st.10 (высококремнистый безмарганцевый калициево-силикатного вида); при сварке покрытыми электродами марки УОНИ-13/45.

Процесс рафинирования расплавленного металла по сере называется десульфурацией и включает в себя реакции

[FeS]+[Mn]  (MnS)+[Fe],

[FeS]+(MnO)  (MnS)+[FeO],

[FeS]+(CaO)  (CaS)+[FeO].

Фосфор. Наличие фосфора в стали приводит к синеломкости, к снижению порога хладоломкости, повышение хрупкости, образованию трещин повторного нагрева в легированных сталях, и при сварке аустенитных сталей (например, 12Х18Н10Т) – к появлению горячих трещин.

Примечание: 1. Трещины повторного нагрева – это трещины, возникающих в процессе высокого отпуска легированных сталей, проводимого при t = 500-600^оC для снятия остаточных напряжений, в случае медленного, т.е. вместе с печью, охлаждения сварного узла после отпуска.

2. Порог хладоломкости, т.е. температура перехода металла в хрупкое состояние, тем выше, чем больше фосфора в стали.

3. Нагрев легированных сталей и выдержка их при температуре 200-400^оC, например при многослойной сварке, приводит к появлению хрупкости, связанной с диффузией фосфора из тела зерна к границам зерна. Явление охрупчивания металла при его нагреве до температуры 200-400^оC называется синеломкостью.

Фосфор удаляют при сварке с помощью основных шлаков, например, при сварке под флюсом АН-43 (низкокремнисто-марганцовистый солеолсидный),; при сварке покрытыми электродами марки СМ-11 (для сварки ответственных конструкций из углеродистых и низколегированных сталей).

Удаление фосфора из расплава металла многостадийный процесс и называется дефосфорацией. На первой стадии дефосфорации фосфор окисляеться по реакциям

2Fe₂P+5FeO  P₂O₅+9Fe

2Fe3P+5FeO  P₂O₅+11Fe

Оксид P₂O₅ – кислый, и на следующих стадиях дефосфорации он связывается в шлакообразующее комплексное соединение

2[Fe₂P]+5(FeO)+3(CaO)  ((CaO)₃P₂O₅)+9[Fe]

Увеличение плотности тока, погонной энергии приводит в конечном счете к повышению температуры шлака и фосфор связывается хуже.

В кислых шлаках, например при сварке электродами СМ-5 (для сварки конструкций их углеродистых сталей),удаление фосфора затруднено, так как CaO начинает образовывать комплексные соединения с SiO2 и TiO2 .