Химические процессы в сварочной ванне. Вредные примеси и их удаление из сварочной ванны.

Основными вредными примесями для сварного шва являются кислород, азот, водород, сера, фосфор.

Кислород - ухудшает механические, технологические свойства (ковкость, обрабатываемость), износостойкость металла шва, может привести к образованию пор. Источником кислорода является окружающий воздух.

Содержание кислородав сварном шве зависит от длины дуги, силысварочного тока, условий защиты. При увеличении длины дуги и силы сварочного тока (когда уменьшаются размеры, но увеличивается количество капель электродного металла), увеличивается площадь соприкосновения расплавленного металла с воздухом – увеличивается количество кислорода, попадающего в сварной шов.

Азот - образует нитриды железа (Fe₄N, Fe₂N),марганца и др. элементов, которые располагаются в сварном шве в виде игольчатых включений, приводящих к появлению трещин в сварной конструкции при низких температурах (хладоломкость).

Азот может попадать всварной шов из воздуха, т.е. содержание азотав сварном шве зависит от тех же факторов, что и кислорода.

Водород при попадании в сварочную ванну вызывает в сварном шве трещины, поры. Источниками водорода могут быть влага в покрытии электродов, ржавчина и другие загрязнения на кромках. При увеличении степени легирования увеличивается склонность к водородным трещинам.

Сера и фосфор - могут попадать в сварочную ванну из основного металла, сварочной проволоки, покрытия электродов, флюсов. Сера приводит к появлению трещин при высоких температурах («красноломкость»), а фосфор – к появлению трещин при низких температурах («синеломкость»).

Уменьшение содержания вредных примесей в сварном шве достигается газошлаковой защитой расплавленного металла – при расплавлении покрытия электрода или флюса образуется газ, окружающий дугу, и шлак, обволакивающий капли расплавленного металла и сварочную ванну, шлак также замедляет остывание жидкого металла.

Кроме того, для получения качественного шва используют создание специальных химических процессов в сварочной ванне:

1. Раскисление сварного шва – удаление кислорода из сварного шва за счет добавки специальных элементов.

Эти элементы должны отвечать двум требованиям: во-первых, они должны иметь большее, чем железо, сродство к кислороду, т.е. они должны «забирать» кислород от железа, восстанавливая его из окислов; во-вторых, эти новые соединения должны быть нерастворимы в стали, т.е. выходить из шва в шлак.

Этим требованиям отвечают следующие элементы («раскислители»):

o Углерод (С ) является «автоматическим раскислителем», т.е. его специально не добавляют в сварочную ванну – он всегда присутствует в стали и поступает в сварочную ванну из основного металла, присадочного материала (проволоки), покрытия электродов, флюса.

2FeO + C = 2Fe+ CO₂

Углекислый газ (CO₂) должен успеть выйти из шва в шлак до кристаллизации, иначе могут быть поры.

o Марганец (Mn) раскисляет шов и удаляет серу (S):

FeO + Mn = Fe + MnO

FeS + Mn = MnS + Fe

Соединения, указанные стрелками, должны выйти в шлак.

o Кремний (Si) – более сильный, чем марганец, раскислитель, но применяют его вместе с марганцем, т.к. соединение SiO₂- вязкое, а марганец придает им жидкотекучесть, т.е. способствует выходу в шлак. В противном случае могут возникать дефекты сварного шва – «шлаковые (неметаллические) включения».

o Титан (Ti) – сильный раскислитель

Ti + 2Fe = TiO₂ + 2Fe

2. Легирование шва – введение в шов специальных благородных элементов (Mn, Si, Cr, Ni, Mo,W, Ti и др.), которые улучшают химический состав и структуру металла шва. Легирующие элементы могут вводиться через присадочные материалы (проволоку), покрытия электродов, флюс.

3. Очищение шва от серы и фосфора –

Сера образует соединения FeS - при кристаллизации получаются легкоплавкие соединения по границам зерен металла, которые при высоких температурах, расплавляясь, образуют трещины; удаление - марганцем

FeS +Mn= MnS + Fe

FeS +MnО=MnS + FeО

Фосфор снижает механические свойства металла, приводит к синеломкости (трещины при низких температурах)

Удаление - в 2 этапа:

– Окисление 2Fe₂P + 5FeO = P₂O₅ + 9Fe;

2Fe₃P + 5FeO = P₂O₅ + 11Fe

– Связывание в химические соединения (окислами Ca, Mg, Mn), нерастворимые в стали

3CaO + P₂O₅ = Ca₃P₂O₈

4CaO + P₂O₅ = Ca₄P₂O₉

 

Свариваемость металлов.

Свариваемость – способность металлов образовывать качественное сварное соединение, удовлетворяющее эксплуатационным требованиям.

Методы оценки свариваемости:

• Прямой - сварка проб на различных режимах с последующими испытаниями образцов из них на растяжение, изгиб, ударную вязкость, коррозионную стойкость и др.

• Косвенный - по эквиваленту углерода.

, (3)

где; С – содержание углерода, %;

Mn, Cr, … - содержание легирующих элементов,%.

Таблица 1 – Группы свариваемости

Группа свариваемости	Сэк	Условия сварки
I Хорошая	До 0,25	Без ограничений
II Удовлетворительная	0,25-0,35	Только при температуре окружающей среды не ниже 5^0С, толщине металла ˂ 20 мм при отсутствии ветра
III Ограниченная	0,35-0,45	С предварительным или сопутствующим подогревом до 250^0С
IV Плохая	Свыше 0,45	С предварительным и сопутствующим подогревом, термообработкой после сварки

 

Контрольные вопросы:

1. Перечислите основные вредные примеси сварных швов, поясните их влияние на свойства сварного шва.

2. Что такое «раскислитель», каким требованиям он должен отвечать?

3. Перечислите элементы, применяемые для раскисления сварочной ванны, объясните особенности их применения.

4. Как влияют сера и фосфор на качество сварного шва, откуда они могут попадать всварной шов, чем их можно удалять из сварочной ванны?

5. Дайте определение понятия «свариваемость металлов». Поясните методы оценки свариваемости, группы свариваемости.