Условия развития металлургических процессов. Влияние режима сварки.
Как мы уже отметили выше, металлургические процессы при сварке протекают в условиях исключительно большого градиента температур, кратковременности и высокой степени перемешивания взаимодействующих фаз.
Условно взаимодействие между шлаком, газом и металлом делят на две стадии: ванны и капли. Такое деление подчёркивает различие термодинамических, температурных, временных, массовых и геометрических условий, в которых протекают процессы на этих стадиях и разную их зависимость от режима сварки.
На стадии капли имеет место наибольшая отдалённость от состояния равновесия, наивысшая температура металла (2000 – 23000С) и максимальная
Относительная поверхность контакта металла со шлаком и газом (10-2 – 10-3 м2/кг).
Несмотря на кратковременность взаимодействия (0,01 – 0,8 сек) на стадии капли интенсивно проходит и практически полностью завершается легирование металла из покрытий электродов и из флюсов. На этой стадии наиболее значительны потери легирующих элементов от окисления кислородом газовой фазы и от испарения.
Стадия ванны характеризуется сравнительно невысокой температурой металла (1700-18000С), на порядок меньшей относительной поверхностью контакта фаз. Несмотря на значительное время контакта металла с газом и шлаком (5-50 с), перечисленные выше процессы почти не получают развития на стадии ванны.
Если сварка выполняется в газах или с использованием химически активных флюсов, покрытий, то изменение режима сварки вызывает изменение химического состава наплавленного металла: весьма значительное – сварка в газах и под флюсом, менее сильное – сварка стержневыми толстопокрытыми электродами. В последнем случае режим сварки не влияет на относительную массу шлака, так как она предопределена толщиной покрытия.
Увеличение напряжения на дуге, уменьшение диаметра электродной проволоки, переход от сварки на прямой полярности постоянного тока к сварке на переменном токе и особенно к сварке на обратной полярности постоянного тока, уменьшение силы тока усиливает все процессы на стадии капли.
Указанные изменения параметров режима дуговой сварки в струе СО2 ведут к возрастанию потерь металла от окисления. При сварке под легирующими флюсами это ведёт к усилению перехода легирующих элементов из флюса в металл. Во всех случаях сварки открытой дугой из-за испарения усиливаются потери легкоиспаряющихся элементов. Существенно возрастает содержание в металле шва азота и во многих случаях водорода, поглощаемых из сварочного пространства жидким металлом.
Установлено, что наплавляемый металл и металл шва в значительной мере являются продуктом взаимодействия металла стержня электрода и металла шва с газами, покрытиями, флюсами и образующимися при плавлении покрытий и флюсов шлаками.
Шлаковая фаза.При сварке толстопокрытыми электродами, порошковой проволокой и с применением керамических флюсов шлаки образуются в результате плавления покрытий, флюсов. Летучие вещества переходят в газовую фазу, а чистые металлы частично растворяются в каплях электродного металла, а частично окисляются и переходят в шлак. Плавленые флюсы являются уже готовыми (синтетическими) шлаками.
В шлаках окислы основного типа (СаО, МnО и др.) и кислого (SiО2) частично связаны в комплексные соединения – силикаты: (МnО)2SiО2; (СаО)2SiО2 и т.п. Такие соединения не участвуют в химических реакциях. Химическая активность шлака определяется только содержанием свободных (активных) окислов. Их количество зависит не только от содержания тех или иных окислов, но и от соотношения количеств основных и кислых окислов. Химическая активность окислов в шлаке (активность шлака) приближённо может быть оценена по величине коэффициента основности:
В = Сао, % + МnО,% + МgО,% / SiО2,%, 4.2.
Основные шлаки (В≥2) богатые СаО, МnО хорошо очищают металл от серы и фосфора. При наличии к них МnО они активно легируют металл марганцем. Однако в основных шлаках активность кремнезёма SiО2 понижена; они слабо легируют металл кремнием и плохо удаляют из металла растворённый в нём кислород (закись железа).
Кислые шлаки (В«2), наоборот активно легируют шов кремнием, хорошо связывают закись железа благодаря образованию силикатов закиси (FеО)2 ·SiО2, но плохо очищают металл шва от серы и фосфора.
Газовая фаза.Состоит из паров металла, компонентов шлака, защитных газов, продуктов диссоциации сложных соединений.
Химическая активность газовой фазы по отношению к металлу определяется в первую очередь содержанием в ней свободного водорода, азота и кислорода.
Источниками насыщения водородом являются влага, введённые в покрытия органические соединения, имеющиеся на поверхности проволоки и свариваемых кромок ржавчина и масла.
Влага – неизбежный спутник сварочных материалов. Покрытия электродов, флюсы всегда содержат адсорбированную влагу. Допустимое количество такой влаги 0,1 – 0,3%. Поэтому перед применением указанные сварочные материалы – электроды и флюсы должны быть прокалены в муфельных печах при определенной температуре.
Азот в зону сварки попадает из воздуха. Растворенный в металле азот почти полностью остаётся в шве. Поэтому по содержанию азота в шве определяют качество газовой и шлаковой защиты от воздуха. По качеству защиты от воздуха сварка в защитных газах и сварка толстопокрытыми электродами равноценны. Качество защиты при дуговой сварке под флюсом и при ЭШС значительно выше.
Основным источником кислорода в газовой фазе (исключая сварку без защиты от воздуха) является непрочный газообразный окисел СО2, который диссоциирует в зоне дуги по схеме
2СО2 = 2СО + О2, 4.3.
Свободного кислорода в газовой фазе тем больше, чем больше в ней углекислого газа. На первом месте стоит сварка в СО2. Свободного кислорода в этом случае почти столько же, сколько его содержится в воздухе. По существу обдув дуги углекислым газом защищает металл только от взаимодействия с азотом воздуха.
Рассмотрим наиболее важные металлургические процессы.
1. Испарение металла – неизбежный процесс при сварке открытой дугой. Испарение приводит к потере металла, изменению его химического состава в результате преимущественного испарения летучих компонентов (марганца – в сталях; магния, свинца, цинка – в цветных сплавах) и загрязнению окружающей зоны сварки атмосферы токсичными (ядовитыми) парами (Мn, Zn, Cr, Сu, Pb). Испарение может послужить причиной образования пор в металле шва ( при сварке АМг6, латуней). Для уменьшения отрицательных последствий испарения стремятся сократить стадию капли: рекомендуют сварку вести короткой дугой.
2. Окисление металла при сварке может быть следствием взаимодействия металла с кислородом газовой фазы и с окислами, содержащимися в покрытиях, флюсах, шлаках.
Окислительная способность газовой фазы определяется содержанием в ней свободного кислорода. Окислительная способность покрытий, флюсов, шлаков определяется содержанием в них окислов – прежде всего непрочных Fе2О3 ,МnО, SiО2.
Потеря легирующих элементов – это первое отрицательное последствие окисления. Окисляемость легирующих элементов прямо пропорциональна их сродству к кислороду (в условиях раствора). Преимущественно окисляются те элементы, сродство к кислороду которых больше: В, Аl, Тi, С, Si, Мn.
Насыщение сплава кислородом является вторым отрицательным последствием процесса окисления. Кислород в металлическую ванну попадает в результате растворения в ней газообразного кислорода, но главным образом в результате растворения в металле окисла металла – основы сплава.
Легирование сплава нежелательными элементами является третьим отрицательным последствием окислительных процессов.
Как же бороться с отрицательными последствиями окислительных процессов?
- Применение бескислородных флюсов, целиком составленных из солей металлов (СаF2, КF, NаF, КСl, NаCl);
- Применение инертных газов: аргона, гелия;
- Предотвращение окисления железа и, следовательно, насыщения металла кислородом достигается легированием сварочной проволоки элементами с большим сродством к кислороду, которые окисляются в первую очередь (Мn, Si, Тi, Аl). Примерами применения этого способа борьбы с окислением служат применения проволок Св-08ГС, Св-08Г2С и др;
- расплавленный металл на стадии ванны подвергается раскислению: растворённый кислород частично удаляется из металла.
При сварке сталей окисление может играть и положительную роль –окисление углерода, серы, фосфора – рафинирует металл, растворённый в металле кислород резко уменьшает растворимость водорода.
Растворение газов в жидком металле. Во всех технических металлах и сплавах активно растворяется водород, в большинстве – растворим азот (исключение составляют медь, серебро). Чрезмерное насыщение металла шва этими газами приводит к появлении в сварном шве пор и трещин – флокенов.
Борьбу с водородом и азотом ведут технологическими и металлургическими методами. К ним относятся: совершенствование защиты от воздуха, очистку проволоки и свариваемых кромок от окисных плёнок и влаги, прокалку электродов и флюсов, осушку газов.
К металлургическим методам относятся – связывание водорода в газовой фазе кислородом и фтором в термически прочные нерастворимые в металле газообразные соединения ОH и HF. ( связывание кислородом наиболее полно реализуется при сварке в СО2; связывание фтором – при сварке под флюсами типа ОСЦ-45, АН-348А). Кроме этих методов применяются и следующие: 1) насыщение металла кислородом, что снижает растворимость водорода в нём; 2) удаление водорода из жидкой металлической ванны в процессе её «кипения» - т.е. образование пузырьков СО, при этом водород активно проникает в пузырьки СО и выносится с ними из металла; 3) связывание растворенного в жидком металле азота в тугоплавкие нитриды. 4) применение постоянного тока обратной полярности обеспечивает меньшее содержание водорода и азота ( при сварке конструкционных сталей).
Легирование металла шваосуществляется несколькими способами:
1. Легирование через сварочную проволоку.
2. Легирование через введение порошков чистых металлов в электродные покрытия.
3. Легирование восстановлением элементов из окислов, находящихся в шлаке, металлом – основой сплава (применяют при сварке под флюсом).
Раскисление и рафинирование металла шва. Под раскислением понимают удаление из металла растворенного в нём кислорода. Рафинирование – очищение металла от серы, фосфора, неметаллических включений и газов.