124043 (Разработка схемы источника "ПТИ" с использованием стали 45), страница 2

2) газовая;

3) газошлаковая;

4) вакуумная.

Смешанная газошлаковая защита сварочной ванны.

Исторически этот метод появился раньше всех. Он реализуется при ручной дуговой сварке толстопокрытыми или качественными электродами, промышленное применение которых началось в середине 20-х годов. Свойства металла шва, наплавленного электродом без покрытия, очень низки. Состав покрытия электродов определяется рядом функций, которые он должен выполнять: защита зоны сварки от кислорода и азота воздуха, раскисление металла сварочной ванны, легирование ее нужными компонентами, стабилизация дугового разряда. Производство электродов сводится к нанесению на стальной стержень электродного покрытия определенного состава. Электродные покрытия состоят из целого ряда компонентов, которые условно можно разделить на ионизирующие, шлакообразующие, газообразующие, раскислители, легирующие и вяжущие.

Ионизирующие компоненты – соединения, содержащие ионы щелочных металлов: Na₂CO₃, K₂CO₃. пары этих соединений снижают сопротивление дугового промежутка и делают дуговой разряд устойчивым.

Шлакообразующие – минералы: полевой шпат K₂O₃^.Al₂O₃^.6SiO₂; мрамор, мел CaCO₃, магнезит MgCO₃, глинозем Al₂O₃, флюорит CaF₂, рутил TiO₂, кварцевый песок SiO₂ и иногда гематит Fe₂O₃. При сплавлении эти компоненты образуют шлаки различного состава.

Газообразующие – вещества, разлагающиеся с выделением большого объема газа – мрамор, мел или органические вещества: декстрин, крахмал, целлюлоза, которые, сгорая в электрической дуге, дают много газообразных продуктов – CO₂; CO; H₂, H₂O.

Раскислители и легирующие компоненты – металлические порошки или порошки ферросплавов – ферромарганец, ферросилиций, феррохром, ферровольфрам и др. Ферросплавы – это лигатуры, быстро растворяющиеся в жидкой стали. Только никель вводят в виде порошка металла, так как он при сварке почти не окисляется. Раскислителями кроме ферромарганца и ферросилиция могут быть ферротитан и алюминий.

Вяжущими компонентами могут быть или жидкое стекло, или полимеры. Они соединяют порошки вышеупомянутых компонентов в замес, который и напрессовывается на подготовленный металлический стержень в особых прессах. Можно также готовить электроды окунанием в жидкий замес, однородность которого поддерживается перемешиванием или обработкой ультразвуком.

Все материалы, идущие на изготовление покрытий, должны строго контролироваться по содержанию таких вредных примесей, как сера и фосфор.

В зависимости от вида компонентов, которыми осуществляется защита зоны сварки от атмосферы, все электродные покрытия можно разбить на следующие четыре группы (ГОСТ 75):

а) кислые покрытия (А), в состав которых входят оксиды железа, марганца, титана и кремния, представляющие собой шлаковую основу покрытия. Газовая защита создается органическими составляющими (крахмал). При сварке создаётся значительное количество газов (СО2; СО; H₂; H₂O) в результате разложения и окисления органических компонентов и обеспечивается хорошую защиту от атмосферного воздуха Раскислителем служит ферромарганец.

б) основные покрытия (Б) построены на основе карбоната кальция (мрамор) и плавикового шпата (флюорита), который служит шлакообразующим компонентом. Содержание в покрытии нескольких раскислителей позволяет получить хорошо восстановленный металл, содержащий мало серы и не склонный к образованию горячих трещин. Газовая защита создаётся диссоциацией мрамора (СаСОз). Атмосфера сварочной дуги состоит из СО, СО₂, Н₂ и Н₂О. Пары воды выделяются из покрытия и во избежание появления водорода в зоне сварки эти электроды надо перед сваркой прокаливать при температуре 470...520 К. В качестве раскислителей используют ферротитан, ферромарганец и ферросилиций. К этой же группе относятся безокислительные покрытия, содержащие мало СаСО₃ и много CaF₂ (до 80%), предназначенные для сварки высокопрочных сталей.

Уменьшение доли мрамора в составе покрытия снижает окисление металла и уменьшает в нем содержание углерода.

Недостаток этих электродов — малая устойчивость дугового разряда, требующая сварки на постоянном токе обратной полярности. Таким образом, технологические сложности электродов группы Б несколько ниже, чем электродов группы А. Повышенное содержание СаF₂ вызывает образование токсичных соединений и требует создания надежной вентиляции.

в) рутиловые покрытия (Р) построены на основе рутила TiO₂ с добавками полевого шпата, магнезита и других шлакообразующих компонентов которые, разлагаясь, дают большой объем СО₂, к тому же, защитная атмосфера пополняется органическими компонентами. В качестве газообразующих веществ используются органические материалы (целлюлоза, декстрин) и карбонаты (MgCO₃, СаСОз). Раскислителем служит ферромарганец. Для повышения коэффициента наплавки в эти электроды вводят порошок железа.

Электроды этой группы обладают высокими технологическими свойствами - обеспечивают высокую устойчивость горения дуги, хорошее формирование шва и отделяемость шлаковой корки, возможность сварки в любом пространственном положении шва. Кроме того, рутиловые электроды малотоксичны и обеспечивают высокие механические свойства у наплавленного металла.

г) целлюлозные покрытия (Ц) построены на органических веществах (целлюлоза, пищевая мука), при разложении и окислении которых выделяется большое количество газа, обеспечивающего хорошую защиту от воздушной среды. Для предотвращения водородной хрупкости или появления пор при сварке надо вводить окислители: ТiO₂, МnO₂. Для уменьшения влияния водорода в покрытия вводят также плавиковый шпат СаF₂. Для раскисления сварочной ванны добавляют ферромарганец и ферросилиций. Надежная газовая защита позволяет снижать относительную массу покрытия: К_п ≈ 20%. Технологические свойства электродов довольно высокие и их применяют при сварке в различных пространственных положений.

Общие требования к электродам:

- точность размеров;

- соосность покрытия и стержня;

- прочность сцепления покрытия с металлическим стержнем (сколы);

- гарантированные механические свойства наплавленного металла.

Каждая партия электродов имеет соответствующий паспорт.

2.2 Описание металлургических процессов, обеспечивающих получение качественных соединений

Высокие температуры, используемые при сварке плавлением, с одной стороны, понижают термодинамическую устойчивость оксидов, но, с другой стороны, скорость их образования резко увеличивается и за очень небольшое время сварочного цикла металлы поглощают значительное количество кислорода. Поглощенный кислород может находиться в металле или растворенном состоянии в виде оксидов или субоксидов, а также может создавать неметаллические включения эндогенного типа, образовавшиеся при раскислении металла более активными элементами. И то, и другое резко снижает качество сварных соединений, особенно пластичность металла шва. Исследования этого вопроса показали, что основная масса кислорода в металле обычно находится в неметаллических включениях. Источниками кислорода в металле при сварке служат окислительно-восстановительные реакции между металлом и атмосферой сварочной дуги, металлом и шлаками, образующимися в результате плавления флюсов или при разложении и плавлении компонентов электродного покрытия, а также взаимодействии с наполнителям порошковой проволоки.

Особенно велики скорости взаимодействия металла с окружающей средой в высокотемпературной зоне сварки, к которой следует отнести каплю плавящегося металла на торце электрода или электродной проволоки, дуговой или плазменный разряд и переднюю часть ванны. Более медленно эти процессы развиваются в хвостовой части ванны, так как там температура приближается к температуре кристаллизующегося металла. Температурный перепад между этими зонами настолько велик, что реакции окисления – восстановления меняют свое направление. Так в капле плавящегося на электроде металла происходит интенсивное поглощение кремния и марганца в результате окисления железа, в то время как в хвостовой части сварочной ванны кремний и марганец восстанавливают железо, окисляясь сами. Кроме того, взаимодействие металла с кислородом при сварке осложняется образованием растворов оксидов в металлах, а это сильно изменяет термодинамическую устойчивость из-за возрастания энтропии в процессе растворения.

Раскисление металла сварочной ванны - восстановление металла сварочного соединения требует удаления кислорода из сварочной ванны, пока она находится в жидком состоянии.

Восстановление или раскисление сварочной ванны можно осуществлять несколькими способами:

1) Извлечение его более активными металлами – раскисление осаждением.

2) Восстановление металла газовой атмосферой, контактирующей с металлом сварочной ванны.

3) Извлечение оксидов из металлической ванны, путем обработки ее шлаками.

Все эти методы реализуются в сварочной технологии, но для различных металлов они будут применяться с различным успехом. Так, для металла с высокой термодинамической устойчивостью оксидов эти способы восстановления почти не дают эффекта и для получения качественного соединения из этих металлов необходима по возможности полная изоляция их от окисляющей атмосферы.

Легирование металла шва при ручной сварке покрытыми электродами: Металл шва образуется из основного металла, электродной проволоки и покрытия, легирование осуществляется следующим образом:

- легирование путем введения в покрытие электрода порошкообразных металлических добавок или ферросплавов – марганца, кремния, титана;

- легирование в результате восстановления оксидов, входящих в состав покрытия, легко осуществляемое для малоактивных металлов и ограниченное для таких элементов, как марганец, кремний и хром;

- легирование путем изменения состава электродных проволок, дающие самые стабильные результаты;

- легирование в результате расплавления основного металла, что имеет место при сварке высокопрочных и теплоустойчивых сталей.

2.3 Термодинамическое исследование одного из вероятных металлургических процессов

Рассмотрим реакцию

Определим вероятность протекания прямой реакции при различных температурах.

Табл. 3.2 – Значения стандартных параметров реагирующих веществ.

ΔG_тº = ΔHº₂₉₈ – ΔSº₂₉₈ · T – · f(T) · T

где ΔG_тº- свободная энергия Гибса, кДж/моль;

ΔHº₂₉₈ – энтальпия (кДж/моль);

ΔSº₂₉₈ – энтропия (ДЖ/моль^.К);

– теплоемкость (ДЖ/моль^.К);

f(T) – функция Улиха;

Т – абсолютная температура (К).

Формула для вычисления энтальпии:

ΔHº₂₉₈ = ΣΔHº_пр – ΣΔHº_исх = – ( + )

ΔHº₂₉₈ = – 1676 – (0 + 0 ) = – 1676 кДж/моль

Знак “–“ для ΔH свидетельствует о том, что процесс протекает с выделением тепла.

Формула для вычисления энтропии:

ΔSº₂₉₈ = ΣΔSº_пр + ΣΔSº_исх = – ( + )

ΔSº₂₉₈ = 50,92 – (28,35 + 205,04 ) = – 182,47 кДж/моль·К

Формула для вычисления теплоемкости:

Δ = ΣΔСрº_пр + ΣΔСрº_исх = – ( + )

Δ = 79,04 – (24,35 + 29,35) = 25,34 кДж/моль·К