3 (Конспект лекций (Свариваемость металлов и сплавов))
Описание файла
Файл "3" внутри архива находится в папке "Конспект лекций (Свариваемость металлов и сплавов)". Документ из архива "Конспект лекций (Свариваемость металлов и сплавов)", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "свариваемость металлов и сплавов" из 10 семестр (2 семестр магистратуры), которые можно найти в файловом архиве РТУ МИРЭА. Не смотря на прямую связь этого архива с РТУ МИРЭА, его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "лекции и семинары", в предмете "свариваемость металлов и сплавов" в общих файлах.
Онлайн просмотр документа "3"
Текст из документа "3"
Тема 2. Свариваемость металлов при различных технологических процессах
Занятие 1 – лекция №3. Технологическая свариваемость при сварке плавлением
Трудоемкость _2__ часов.
Общие закономерности. Металлургические основы сварки плавлением, влияющие на свариваемость: возможность регулировать состав металла шва; Фосфор, сера, вредные примеси, ухудшающие механические свойства стали; Раскисление, легирование и рафинирование наплавленного металла.
Факторы, влияющие на свариваемость: тепловое воздействие на
свариваемый металл; фазовые и структурные превращения; взаимодействие жидкого металла с газами и шлаками; кристаллизация сварочной ванны и т.д. Дефекты шва и их устранение.
Влияние кристаллизации сварных швов на свариваемость при сварке плавлением: Общие закономерности. Ликвидация примесей при кристаллизации. Внутрикристаллитная ликвация. Межкристаллитная ликвация. Зональная ликвация. Зона термического влияния.
Влияние газов на свариваемость. Технологические и металлургические способы борьбы с порами.
3 Технологическая свариваемость при сварке плавлением.
3.1 Металлургические основы сварки плавлением.
При различных методах сварки плавлением кристаллическое строение металла шва, связанное с условием перехода сварочной ванны из жидкого состояния в твёрдое, является одним из факторов, определяющих качество и состав шва. Во многом образование сварочной ванны и её кристаллизация зависят от способа сварки и от технологии сварки. Однако существуют общие закономерности плавления и кристаллизации.
В процессе сварки при местном воздействии источника тепла на основном металле
образуется расплавленный участок, называемый сварочной ванной.
Основные размеры сварочной ванны:
L – длина,
b – ширина,
h – глубина проплавления.
В процессе сварки сварочная ванна перемещается вдоль шва с некоторой скоростью, то есть перемещается в направлении сварки t=L/Vсв – время существования ванны, где L – длинна сварочной ванны; Vсв – скорость сварки.
Для различных участков ванны время прибивания металла в жидком состоянии различно. Наиболее долго в расплавленном виде находится металл, расположенный на продольной оси ванной, а у краёв металл кристаллизуется сразу после расплавления.
Распределение температур вдоль оси сварочной ванны.
Участок (1) нагрет выше температуры плавления и близок к температуре испарения свариваемого металла.
При сварке электродами в металлургической обработке участвует, и электродный металл, и компоненты покрытия электродов, расплавляясь в зоне сварки дуговым разрядом. Таким образом металл сварного шва образуется за счёт электродного металла, компонентов покрытия и основного металла, расплавленного при сварке плавлением. Появляется возможность регулировать состав металла шва в широких пределах. Температура столба дуги, горящей между электродом и металлом составляет 6100±200ºК. Средняя температура капель с электрода (например стального) 2200-2300ºС. Возможные источники теплоты, затрачивают на плавление металла – тепло электрической дуги; тепло, выделяемое на электроде; теплота реакций компонентов газов и так далее, при образовании соединений. Основным источником плавления металла является тепло электрической дуги.
Электродный металл переходит в виде капель жидкого металла в сварочную ванну, легирует и изменяет состав металла шва.
Расплавление металла (основного и электродов, присадочной проволоки) сопровождается обильным выделением газов. Образование газов происходит в результате окисления углерода и восстановления окислов, присутствующих металле. Физико-химические процессы протекающие в газовой среде, оказывают большое влияние на качество сварки. К числу важнейших процессов относятся: диссоциация газов, их растворение в жидком металле, различные химические реакции в самой газовой среде и при её взаимодействии с металлом.
3.2 Раскисление, легирование и рафинирование наплавленного металла.
Сварочное соединение будет качественным, если химический состав и структура металла шва не будет отличатся от химического состава и структуры основного металла. Однако, в процессе сварки происходит окисление основных компонентов, их выгорание и весовое количество их в стали заметно уменьшается. Для удовлетворения качества соединений требуется, что б в процессе сварки было осуществлено:
-
Раскисление основного металла и удаление образовавшихся окислов из сварочной ванны;
-
Легирование наплавленного металла, компенсирующее выгорание специальных компонентов основного металла, иногда требуется легирование наплавленного металла элементами, не содержащимися в основном металле или содержащимися в небольшом количестве;
-
Рафинирование, то есть очищение от вредных примесей металла шва – от серы и фосфора.
Раскисление осуществляется путём обменных реакций между окислами основного металла и какого либо специально введённого элемента – раскислителя, сродство которого к кислороду в данных физико-химических условиях выше, чем у основного металла:
m[MeO]+n[Pa]↔[PanOm]+m[Me] ;
где Pa – раскислитель.
Наиболее важные раскислители: Si, Mn, Ti, Al.
Раскисление можно осуществить углеродом с получением газообразных продуктов реакции:
[FeO]+[C]↔CO+[Fe]
[FeO]+CO↔CO2+[Fe].
Раскисление водородом:
[FeO]+[H2]↔[H2O]+[Fe].
Раскисление шлаками:
(FeO)+(SiO2)↔(FeO*SiO2)
Вместе с тем раскисление не даёт возможности обогатить металл следующими легирующими элементами, чтобы придать ему особые свойства. Эти задачи выполняет вторая металлургическая операция – легирование, которая осуществляется одновременно с раскислением металла.
Легирование возможно как через металлическую фазу (стержень электрода, присадочная проволока), так и через шлаковую фазу (покрытие электрода).
Процесс легирования может происходить как в результате прямого растворения элемента в металле, так и на основе обменных реакций. Для оценки степени перехода того или иного элемента в металл шва служит коэффициент η перехода или усвоения элемента – отношение прироста данного легирующего элемента в составе шва к количеству этого элемента, введённого в зону сварки.
Если легирующий элемент может быть одновременно и раскислителем, то возлагать функции раскислителя на него не следует. В качестве раскислителя следует применять элементы сродство которых к кислороду больше чем сродство легирующего элемента. Наряду с легирующим элементом целесообразно вносить в зону сварки и его окисел, наличие которого сохраняет легирующий элемент от выгорания.
Рафинирование металла протекает одновременно с раскислением и легированием. Рафинирование – очистка от вредных примесей серы и фосфора.
Источники поступления серы и фосфора в зону сварки:
-
Шлаки, в состав которых входят компоненты, содержащие S и P;
-
Основной и присадочный расплавленные металлы.
Содержание серы в количестве больше допустимого отрицательно сказывается на механических свойствах, служит причиной красноломкости металла и появления в нём кристаллизационных трещин.
Сера образует сульфиды (например, сульфид железа FeS) температура плавления которого ниже, чем у железа. Сульфид железа не растворяется в железе и образует эвтектики (легкоплавкие Тпл=980ºС), которые в процессе кристаллизации затвердевают в месте стыка кристаллов последними и становятся частью межкристаллических прослоек. При возникновении напряжений в шве по этим участкам может появится кристаллизационная трещина.
Для удаления серы в сварочную ванну нужно вводить элементы, которые имели бы к сере большее сродство, чем железо. Это такие элементы как: Al, Ca, Na, Mg, Mn. Лучший из них – Mn.
В сварочной практике связывают и удаляют серу, чаще всего двумя способами: с помощью Mn и MnO, а также CaO.
Фосфор, как и сера, вредная примесь, ухудшающая механические свойства стали и вызывающая ее хладостойкость.
С железом образует фосфиды Fe3P; Fe2P.
Возможно образование легкоплавной эвтектики, снижающей прочность металла.
Удаление фосфора из сварочной ванны основано на его окислении (P2O5) и последующим выведением его из жидкого металла основными и аморфными шлаками. По возрастающей силе сродства к ангидриду (P2O5) основные и аморфные оксиды можно расположить в следующий ряд:
Fe2O3 - Al2O3 – FeO – MnO – MgO – CaO
3.3 Кристаллизация сварных швов.
Общие закономерности.
Процесс образования кристаллов в металле при его затвердевании называется кристаллизация.
Кристаллизация состоит из двух одновременно протекающих процессов:
-
зарождение зародышей, или центров кристаллизации.
-
роста кристаллов из этих центров.
Кристаллизация сварочной ванны протекает в специфических условиях:
-
металл ванны находится под одновременным воздействием как источника тепла, так и охлаждаемых местах ванны. При этом фронт кристаллизации связан с перемещением источника тепла;
-
распределение температуры по объему металла ванны неравномерно;
-
скорость кристаллизации равна скорости сварки.
Проплавление зерна основного металла является зародышевыми центрами кристаллизации.
Затвердевший металл сварного шва содержит наряду с основными составляющими посторонние примеси, которые представляют собой газы и неметаллические включения.
Количество и форма этих включений могут оказать существенное влияние на свойства металла.
Газы в металле оказывают влияние на качество швов. В период кристаллизации металла ванны в затвердевающей ее части может наблюдаться интенсивное газовыделение, обусловленное значительным снижением растворимости газов. Кислород, водород и углерод легко адсорбируются на поверхности раздела жидкой и твердой фаз и скапливаются здесь в значительных количествах. При малой скорости кристаллизации пузырьки газа успевают оторваться от твердой поверхности и всплыть. При большой скорости кристаллизации металла пузырьки газа отрываются от твердой фазы не полностью, там остаются газовые зародыши. В этом случае ожидается пористость шва. Появлению пор в металле шва способствует загрязненность металла ржавчиной. Водород, интенсивно растворяющийся в жидком металле и частично не успевающий выделиться, в момент кристаллизуется.
Для борьбы с пористостью, вызываемой образованием окиси углерода (при наличии ржавчины), нужно иметь в ванне достаточное количество раскислителей, способных подавить реакцию окисления углерода в момент кристаллизации. Чтобы предупредить водородную пористость, нужно обеспечить в газовой фазе более полное связывание водорода в соединения, не растворимые в металле (соединения фтора - фтористый водород; соединение водорода с кислородом – гидроксил OH, устойчивого при высоких температурах).
Технологические способы борьбы с порами: применение соответствующих режимов, замедляющих скорость охлаждения ванны; рекомендуется зачищать от ржавчины и загрязнений свариваемые кромки металла и присадочную проволоку.
Посторонними включениями в шве могут быть шлаковые включения в виде различных оксидов и сульфидов. Они могут быть различной формы, величины, это оказывает заметное влияние на механические и физические свойства металла.
Ликвидация примесей при кристаллизации – неравномерное распределение элементов, химических соединений и других составляющих в металлах. К числу сильно ликвирующих элементов относится углерод, сера и фосфор.
В металле шва наблюдается дендритная и зональная ликвации. Дендритная ликвация может быть двух видов – внутри- и межкристаллитная.
Внутрикристаллитная ликвация связана с наличием у сплава интервала кристаллизации и в связи с этим различной для центральной и периферийной частей кристалла степенью обогащения ликвирующей примесью.
Межкристаллитная ликвация является результатом оттеснения к границам растущих кристаллитов различных легкоплавких эвтектик и примесей, создающих межкристаллитные прослойки (эвтектики сернистые – особо опасны).
Зональная ликвация вызывается неодновременной кристаллизацией периферийной и центральной частей шва. В центральной области шва, где срастаются дендриты, скапливаются различные вредные примеси, легкоплавкие эвтектики и т.д. Этот участок шва называется зоной слабины. Здесь могут образовываться трещины. Ликвация в сварных швах (особенно межкристаллитная и зональная) снижает механические свойства металла, так как ослабляет связь между кристаллитами и служит одной из причин появления кристаллизационных трещин.
Зоны термического влияния
Металл шва – это сплав, образованный переплавленным основным и на-
плавленным металлами или только переплавленным основным металлом.
Зона сплавления – металл, находящийся на границе основного металла и