Лекции 18-25 (Электронные лекции), страница 6

SiО₂ + Н  SiO + ОН.

Технологические способы борьбы с порами предусматривают применение соответствующих режимов, замедляющих кристаллизацию металла сварочной ванны (например, повышение погонной энергии q/v), и мер, снижающих поглощение газов расплавленным металлом, особенно при его переносе через газовую фазу – например, применение короткой дуги, а также мер, способствующих выходу газа из шва при колебаниях уровня поверхности сварочной ванны и при ее вибрации. Рекомендуется зачищать свариваемые кромки металла и присадочную проволоку от ржавчины и других загрязнений.

При сварке под флюсом форма сварочной ванны более благоприятна для получения плотного шва. Это объясняется следующими причинами:

1) растворение газов в жидком металле ограничено, так как нет непосредственного контакта его с газовой средой;

2) металлическая ванна обычно имеет чашеобразную форму и при перемещении фронта кристаллизации снизу вверх создаются благоприятные усло­вия для удаления растворенных газов;

3) замедленное охлаждение металла сварочной ванны.

Шлаковые включения в металле шва

Шлаковые включения в металле шва (различные оксиды и частично сульфиды) имеют преимущественно эндогенное происхождение, т. е. образуются в самой сва­рочной ванне. Лишь небольшую часть шлаковых включений составляют частицы «запутавшегося» в металле шлака. Шлаковые включения могут располагаться в меж­дендритных пространствах, на границах столбчатых кристаллитов, а также в местах их стыка по оси шва.

Состав шлаковых включений может быть различным в зависи­мости от характера шлака. Шлаковые включения в стали часто представляют собой эвтектики из различных оксидов. В алюминии шлаком является Al₂O₃.

Включения, образующиеся при сварке с применением кислых шлаков, имеют мелкодисперсный характер и состоят в основном из силикатов FeSiO₃. Основные шлаки дают более крупные включения с меньшим содержанием силикатов. Число и размеры шлако­вых включений в металле при данном составе шлака и металла за­висят от следующих важных факторов:

– способности шлаковых частиц к коагуляции, т. е. к укрупнению путем слияния;

– скорости всплывания шлаковых частиц в жидком металле.

Способность шлаковых частиц к коагуляции за­висит от температуры металла, поверхностного натяжения на гра­нице шлаковая частица – жидкий металл, от вязкости как включений, так и
жидкого металла и др. Чем выше температура металла и поверхностное натяжение шлака, чем меньше их вязкость – тем легче протекает их коагуляция. Тугоплавкие включения в виде комплексов, имеющие повышенную вязкость (SiО₂ Аl₂O₃), плохо коагулируют и поэтому распреде­ляются в металле в дисперсном виде.

Скорость всплывания шлаковых частиц зависит от их размера, вязкости металла, разности плотностей шлаковых частиц и металла и др. Приближенно скорость всплывания шлаковых частиц v, см/с, можно определить с помощью формулы Стокса

(9.102)

где r – радиус частицы, см; g – ускорение силы тяжести
(981 см/с²); ρ_ж.м – ρ_ш.ч – разность плотностей жидкого металла и шлаковой частицы, г/см³;  – вязкость жидкого металла, Па с.

Как видим, скорость всплывания частиц тем больше, чем крупнее частица и чем меньше ее плотность и вязкость металла, в котором она движется. С этой точки зрения нежелательны мелкодисперсные слабо коагулирующие включения (SiO₂, Аl₂О₃), обладающие малой скоростью всплывания и загрязняющие металл.

Нa скорость всплывания шлаковых частиц заметно влияют на­личие конвективных потоков в металле, выделение из металла пузырей, перемешивающих металл и увлекающих шлаковые частицы к поверхности сварочной ванны. Значительная часть шлаковых частиц выталкивается к поверхности сварочной ванны растущими кристаллитами металла шва.

Распределяются шлаковые включения в металле по-разному. Эвтектики, образуемые ими с металлом или между собой, располагаются по границам зерен в виде наиболее опасных линейных прослоек или точечных скоплений. Шлаковые включения в виде самостоятельных фаз могут иметь различные формы: ­1) групповые дисперсные включения глобулярной формы; 2) иголь­чатые включения различной величины; 3) отдельные крупные включения (глобулярные, веретенообразные и др.).

Форма и размер шлаковых включений оказывают заметное влияние на механические и физические свойства металла шва. Круп­ные остроугольные включения (более 5 мкм) снижают выносливость металла шва – пределы усталости. Мелкие включения (менее 5 мкм) ок­руглой формы не влияют на предел прочности и пластичности при статических испытаниях сварной конструкции, а также на предел усталости ме­талла, но их увеличение сопровождается некоторым снижением ударной вязкости и повышением склонности швов к кристаллиза­ционным трещинам. Выделение включений, например FeO и FeS, по границам зерен, особенно в виде сплошных прослоек, придает металлу хрупкость (красноломкость). Посторонние включе­ния заметно уменьшают коррозионную стойкость металла шва. Однако субмикроскопические включения, равномерно распре­деленные в металле (например, TiO₂, Аl₂О₃), могут быть полезными, если они изоморфны с расплавом и становятся дополнительными центрами кристаллизации, что способствует измельчению структуры металла шва.

Ликвационная неоднородность в металле шва

Ликвацией называется возникающее при неравновесной кристаллизации неравномерное распределение элементов, химических соединений и других составляющих в металле. Она контролируется диффузией в жидкой фазе. К числу сильно ликвирующих элементов относятся кислород, углерод, сера и фосфор.

В металле шва наблюдаются преимущественно два вида ликва­ции – дендритная и зональная. В свою очередь, дендритная ликвация может быть двух видов: внутри- и межкристаллитная. Природа внутрикристаллитной ликвации связана с наличием у сплава температурного интервала кристаллизации и с различной для центральной и периферийной частей кристалла степенью обогащения ликвирую­щей примесью. В первую оче­редь кристаллизуется металл вдоль осей будущих кристаллов, он со­держит минимальное количество примесей и близок по составу к исходному. При снижении температуры оси будущих кристаллов обрастают кристалли­зующимся металлом, и эти участки по­степенно обогащаются примесями, ко­торые особенно сильно насыщают по­следние порции кристаллизующегося металла.

Межкристаллитная ликвация является результатом оттеснения к границам растущих кристаллов различных легкоплавких эвтек­тик и примесей, создающих межкристаллитные прослойки. Осо­бую опасность представляют располагающиеся здесь легкоплавкие эвтектики типа сернистых и силикатных, вызывающие горячие микротрещины.

Зональная ликвация вызывается неодновременной кристаллизацией периферийной и центральной частей шва. По мере роста кристаллитов остающаяся жидкость оттесняется в централь­ную область шва и оказывается наиболее загрязненной различными вредными примесями. Этот участок шва называют зоной «слабины». Она выявляется при ударной нагрузке. Весьма заметна зональная ликвация в однослойных швах боль­шого сечения в глубоких сварочных ваннах, где возникает плоская схема кристаллизации (см. рис. 9.32).

Ликвация в сварных швах (особенно зональная и межкристал­литная дендритная) снижает механические свойства металла, так как ослабляет связь между кристаллитами, и служит одной из при­чин появления кристаллизационных трещин.

Для уменьшения химической неоднородности и повышения стойкости металла к образованию кристаллизационных трещин следует оптимизировать соотношение между глубиной Н и ши­риной В сварочной ванны. Коэффициент формы ванны

 = B/H

зависит от многих факторов – способа и режима сварки, состава металла, сварочных материалов и т. д. Узкая глубокая сварочная ванна ( < 2) создает неблагоприятную схему кристаллизации металла, когда кристаллы, растущие по нормали к поверхности охлаждения, срастаются передними гранями в центральной части шва.

Лекция 24

Сравнительный анализ показателей качества швов, полученных различными способами сварки

Из сравнения количества H₂, N₂, O₂ в наплавленном металле следует (см. табл. 10.6), что главным критерием качества газовой защиты путем вытеснения воздуха является количество азота в шве, содержание которого для всех электродов практически одинаково: в 5 раз больше, чем в соответствующем электродном стержне.

Основное различие защитных свойств покрытий заключается в получении разного содержания водорода в шве. Так, в покрытии Б в результате протекания реакции Н₂О с CaF₂ и SiO₂ выделяются фтор и SiF₄, которые связывают водород в нерастворимое соединение HF (см. гл. 9, пример 9.6). Благодаря этому химическому процессу при применении покрытия Б содержание водорода в наплавках в 7–9 раз меньше, чем при применении электродов с другими покрытиями.

Еще одно преимущество покрытия Б – малое количество раскислителей, что позволяет получать чистый (по шлаковым включениям) металл шва, обладающий высокой ударной вязкостью и хладностойкостью (см. рис. 10.20). Это позволяет применять покрытие Б для сварки всех высоколегированных сталей, содержащих хром, титан и другие активно окисляющиеся элементы.

К недостаткам покрытия Б следует отнести науглероживание шва при сварке коррозионно-стойких сталей, в которых углерод рассматривают как вредную примесь. Его содержание снижают до предела растворимости (0,02…0,03 %). Другим недостатком покрытия Б является чувствительность к влаге, ржавчине, вызывающей образование пор, а также непригодность к сварке переменным током вследствие деионизирующего влияния фтора, образующего отрицательно заряженный ион. Он связывает положительно заряженные ионы в нейтральные молекулы, не способные переносить электрические заряды в дуге.

Более технологичны электроды с рутиловым покрытием Р. Однако они ограничены по назначению: пригодны лишь для сварки низколегированных сталей, для которых временное высокое содержание водорода не опасно благодаря отсутствию зон с закаленными структурами, где водород усиливает склонность к холодным трещинам.

Важные показатели качества металла сварных швов – содержание газов и неметаллических включений, влияющих на прочностные свойства сварных соединений. В табл. 10.6 представлены данные сравнительной оценки рассмотренных групп электродных покрытий по содержанию в металле газов и шлаковых включений.

Как следует из табл. 10.6, электроды с основным покрытием Б имеют существенные преимущества по содержанию водорода, а также других газов и включений перед другими покрытиями.
Поэтому электроды с покрытием Б рекомендуются для сварки ответственных конструкций из сталей повышенной прочности (σ_в ≥ ≥ 500 МПа), работающих при низких температурах и ударных нагрузках.

Металлургические процессы при сварке электродами сильно зависят от характера переноса электродного металла, что, в свою очередь, зависит от плотности тока на электроде. При малых плотностях тока капли электродного металла крупные, долго находятся на торце электрода и при коротком замыкании между каплей и сварочной ванной переходят в нее лишь частично (40…30 % объема капли). Разрыв металлического «мостика» сопровождается разбрызгиванием. При больших плотностях тока (800…1000 А на 1 мм диаметра электрода) наблюдается мелкокапельный перенос металла и капли пролетают дуговой промежуток с большой скоростью. Это влияет на интенсивность протекания металлургических процессов при сварке.

Р
ис. 10.23. Сравнение количества неметаллических включений в многослойных швах при сварке различными способами (по Н.М. Новожилову)

Лекция 25

Экология сварочных процессов

Физико-химические методы повышения экологичности сварочных участков цехов

Расчет процессов испарения металлов и сплавов при сварке