Металлургические процессы при сварке

МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ СВАРКЕ

Кристаллизация сварочной ванны

При сварке плавлением сварочную ванну можно условно разделить на два участка: головной, где происходит плавление основного и дополнительного металлов, и хвостовой, где происходит затвердевание расплавленного металла. Переход металла сварочной ванны из жидкого состояния в твердое называют кристаллизацией. Ниже приведены отличительные особенности кристаллизации сварочной ванны.

1. Источник теплоты при  сварке перемещается вдоль соединяемых кромок, а вместе с ним движутся плавильное пространство и сварочная ванна. При дуговой сварке столб дуги, расположенный в головной части  ванны, оказывает механическое воздействие (давление) на поверхность расплавленного металла за счет удара заряженных частиц, давления газов и дутья дуги. Давление приводит к вытеснению жидкого металла из-под основания дуги и погружению столба дуги в толщу основного металла. Жидкий металл, вытесненный из-под дуги, по мере ее передвижения отбрасывается в хвостовую часть сварочной ванны. При удалении дуги отвод теплоты начинает преобладать над притоком и начинается затвердевание - кристаллизация сварочной ванны. В процессе затвердевания по границе расплавления образуются общие кристаллиты,  что  и обеспечивает монолитность соединения.

2. Сварочная ванна имеет малый объем, который зависит от вида и режима сварки и изменяется от 0,1 до 10 см. Поэтому происходит интенсивный отвод теплоты в прилегающий холодный металл, что обусловливает высокую скорость кристаллизации металла ванны.

3. Расплавленный металл сварочной ванны сильно перегревается и интенсивно перемешивается.

4. Кристаллизация металла сварочной ванны при сварке плавлением начинается в основном от готовых центров кристаллизации - частично оплавленных зерен основного  металла.  Металл  шва,  выполненного сваркой плавлением, имеет столбчатое строение, так как состоит из вытянутых (столбчатых) кристаллитов, растущих при кристаллизации в направлении, обратном теплоотводу.

Металлургические реакции при сварке

Общие сведения. Химические реакции взаимодействия расплавленного металла с газами и средствами защиты называются сварочными металлургическими реакциями.

Выделяют две основные зоны взаимодействия расплавленного металла с газами и шлаком - торец электрода с образующимися на нем каплями и сварочную ванну.

Характерные условия металлургических реакций при сварке, как и при кристаллизации, - высокая температура нагрева, относительно малый объем расплавляемого металла, кратковременность процесса.

Средняя температура капель электродного металла, поступающих в ванну, возрастает с увеличением плотности тока и составляет при сварке сталей от 2200 до 2700 °С, т. е. имеет место значительный перегрев. Температура сварочной ванны при дуговой сварке также характеризуется значительным превышением (на 100-. 500 °С) над точкой плавления. Высокая температура способствует большой скорости протекания реакций.

Металлургические реакции при сварке одновременно протекают в газовой, шлаковой и металлической фазах.

Взаимодействие металла с газами. При дуговой сварке газовая фаза зоны дуги, контактирующая с расплавленным металлом, состоит из смеси N, О, Н, СО, СО, паров HO, а также продуктов их диссоциации и паров металла и шлака. Азот попадает в зону сварки главным образом из воздуха, источниками кислорода и водорода являются воздух, сварочные материалы (электродные покрытия, флюсы, защитные газы и т. п.), а также оксиды, поверхностная влага и другие загрязнения на поверхности основного и присадочного металлов. Газы О, Н, N могут также содержаться в избыточном количестве в переплавляемом металле. В зоне высоких температур происходит распад молекул газа на атомы (диссоциация). Молекулярный кислород, азот и водород распадаются и переходят в атомарное состояние О ,2О, N 2N, Н 2Н. Активность газов в атомарном состоянии резко повышается.

При контакте расплавленного металла, содержащегося в газовой или шлаковой фазе, происходит растворение О в металле, а при достижении предела растворимости - химическое взаимодействие с образованием оксидов. Одновременно происходит окисление примесей и легирующих элементов, содержащихся в металле. В первую очередь окисляются элементы, обладающие большим сродством к О. Например, марганец окисляется по реакции:

Мn + О = МnО.

Железо образует с кислородом три соединения (оксида): FeO, содержащий 22,27 % О; FeO, содержащий 27,64 % О; FeO, содержащий 30,06 % О. Наличие этих соединений в металле снижает его прочностные и пластические свойства.

Азот растворяется в большинстве конструкционных материалов и со многими элементами образует соединения, которые называются нитридами. С железом он образует нитриды FeN (11,15 % N) и FeN (5,9 % N), что вызывает охрупчивание, поры и старение сталей.

Водород также растворяется в большинстве металлов. Он является вредной примесью, так как служит причиной пор, микро- и макротрещин в шве и зоне термического влияния.

Углекислый газ, присутствующий в зоне дуги, активно окисляет металл. Реакция протекает в две стадии:

СО СО + , Fe + = [FeO].

В суммарном виде реакция имеет вид:

СО + Fe = = [FeO] + CO ,

где:

[FeO] - оксид железа, растворяющийся в железе.

Образующийся оксид углерода СО в металле шва не растворяется, он выделяется в процессе кристаллизации сварочной ванны и может образовать поры. Углекислый газ применяют для защиты зоны сварки при использовании раскисляющих элементов (Mn, Si), нейтрализующих окислительное действие СО.