26-03-2020-ТСП часть2 (Лекции ТСП), страница 11

Появлению пор в металле шва способствует загрязненность ме­талла ржавчиной. Последняя представляет собой гидрат окиси железа и может иметь различный состав. При нагреве она переходит в окалину Fe₃O₄ и выделяет пары воды. Таким образом, в непосред­ственном контакте с жидким металлом оказываются и кислород, и водород. Поэтому при сварке металла, покрытого ржавчиной, окись углерода – продукт реакции между уг­леродом и кислородом в жидком металле, может образовать поры. Водород при этом лишь увеличивает размеры образующихся газовых пузырьков, диффундируя в них и переходя в молекулярную форму. Причиной возник­новения пор может быть и водород, а также азот, интенсивно растворяющиеся в жидком металле и не успевающие в момент кристаллиза­ции полностью выделиться из него.

Влияние состава газов на образование пор при наличии ржав­чины зависит от степени окисленности сварочной ванны. Если по­следняя окислена, то растворимость водорода в металле снижается. В этом случае повышение содержания закиси железа в системе “шлак-металл” способствует развитию в кристаллизующейся части ванны реакции окисления углерода и потенциальному образованию пор, содержащих СО. Если сварочная ванна хорошо раскислена и металл содержит нужное количество кремния и других раскислителей, то создаются условия для активного погло­щения ванной водорода. Тогда образование пор в шве следует связывать преимущественно с интенсивным выделением водорода из кристаллизующегося металла.

Для борьбы с пористостью, вызываемой образованием окиси уг­лерода, нужно сохранять в ванне достаточное количество paскис­лителей, способных подавить реакцию окисления углерода в момент кристаллизации металла.

Чтобы предупредить водородную пористость, нужно обеспечить в газовой фазе более полное связывание водорода в соединения, нерастворимые в металле. В этом отношении интересны две реакции:

1. Соединения фтора, поступающие в газовую фазу, взаимодействуют с атомарным водородом или парами воды и образуют нераст­воримый в металле фтористый водород:

2CaF₂ + 3Si0₂  2CaSiO₃ + SiF₄. (9.98)

SiF₄ + 3Н  SiF + :ЗНF;

SiF₄ + 2H₂O Si0₂ + 4НF. (9.99)

CaF₂ + Н  CaF + HF; (9.100)

Возможность протекания реакций (9.83) и (9.85) вправо под­тверждается высокими значениями соответствующих констант их равновесия при температурах в зоне дуги.

2. Образование в высокотемпературной зоне нерастворимого в металле соединения водорода с кислородом - гидроксила ОН, устойчивого при высоких температурах. Оно может протекать так:

Н + О ОН;

СО₂ + Н СО + ОН;

МnО + H  Мn + ОН; (9.101)

SiО₂ + Н  SiO + ОН.

Технологические способы борьбы с порами предусматривают применение соответствующих режимов, замедляющих кристаллизацию металла 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 и др., а также мер, способствующих выходу газа из шва при колебаниях уровня и вибрации ванны). Рекомендуется зачищать свариваемые кромки металла и присадочную проволоку от ржавчины и других загрязнений.

При сварке под флюсом форма 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 ванны.

Шлаковые включения в металле шва

Они состоят из различных оксидов и частично - сульфидов. Преимущественно они имеют эндогенное происхождение, т.е. образуются в самой сва­рочной ванне. Лишь небольшая часть включений представляет собой 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. Количество и величина шлако­вых включений в металле при данном составе шлака и металла за­висят от двух важных факторов:

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

2 )скорости всплывания шлаковых частиц в жидком металле.

Способность шлаковых частиц к коагуляции за­висит от температуры металла, поверхностного натяжения на гра­нице “шлаковая частица - жидкий металл”, вязкости как включений, так и жидкого металла, и др. Чем выше температура металла и поверхностное натяжение частиц, меньше их вязкость, тем легче протекает их коагуляция. Тугоплавкие включения, 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, разницы в удельном весе частицы и металла и др.­

Эту скорость приближенно можно определить с помощью формулы Стокса:

V = (2r²(ρ_ж.м.- ρ_ш.ч.) / 9)g см/сек, (9.102)

где r - радиус частицы, см; ρ_ж.м.- ρ_ш.ч. - разность в плотности жидкого металла и шлаковой частицы, г/см³; - вязкость жидкого металла, динс/см²; g - ускорение силы тяжести (981 см/с²).

Как видим, скорость всплывания частиц тем больше, чем крупнее частица, 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 влияет на­личие конвективных потоков в металле, выделение из металла пузырей, перемешивающих металл и увлекающих шлаковые частицы к поверхности металлической ванны. Значительная часть шлаковых частиц выталкивается к поверхности сварочной ванны растущими кристаллитами металла шва.

Распределяются шлаковые включения в металле по-разному. Эвтектики, образуемые этими включениями 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 различную форму: ­1-групповые дисперсные включения глобулярной формы; 2 - иголь­чатые включения различной величины; 3-отдельные крупные включения - глобулярные, веретенообразные и др.

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

Ликвационная неоднородность. Ликвацией называется возникающее при кристаллизации неравномерное распределение элементов, химических соединений и других составляющих в металле. Она контролируется диффузией в жидкой фазе. К числу сильно ликвирующих элементов относятся 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 интервала кристаллизации и с различной для центральной и периферийной частей кристалла степенью обогащения ликвирую­щей примесью. В первую оче­редь кристаллизуется металл вдоль осей будущих кристаллов, со­держащий минимальное количество примесей и близкий по составу к исходному. При снижении температуры оси обрастают кристалли­зующимся металлом. Эти участки по­степенно обогащаются примесями, ко­торые особенно сильно насыщают по­следние порции металла.

Межкристаллитная ликвация является результатом оттеснения к границам растущих кристаллов различных легкоплавких эвтек­тик и примесей, создающих межкристаллитные прослойки. Послед­ние препятствуют перемещению диффундирующих атомов и тем самым сохраняют дендритную неоднородность металла шва. Осо­бую опасность представляют располагающиеся здесь легкоплавкие эвтектики типа сернистых и силикатных.

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, особенно при ударной нагрузке. Весьма заметна зональная ликвация в однослойных швах боль­шого сечения в глубоких сварочных ваннах, где возникает плоская схема кристаллизации (Рис.9.31).

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 ванна (< 2) создает неблагоприятную для кристаллизации металла схему. Здесь кристаллы, растущие по нормали к поверхности охлаждения, неизбежно встречаются в центральной части шва, образуя зону слабины, где наиболее вероятно образование горячих трещин.

Контрольные вопросы и задания.

1. Под действием каких сил осуществляется перенос электродного металла в сварочную ванну?

2. Назовите виды переноса электродного металла через дуговой промежуток.

3. От каких факторов зависит размер электродных капель?

4. Что влияет на время существования капель?

5. К чему приводит диссоциация в зоне дуги?

6. Каков механизм насыщения жидкого металла газами?

7. В чем проявляется различное влияние и азота кислорода на свойства стали?

8. Как влияет водород на свойства стали?

9. Как влияет окисление углерода на свойства металла шва?

10. Назовите требования к сварочным флюсам.

11. В чем основы молекулярной и ионной теории шлаков?

12. Как оценивают кислотность или основность шлаков?

13. В чем различие длинных и коротких шлаков?

14.Укажите главные компоненты, входящие в состав

сварочных флюсов.

15. Назовите три основные системы сварочных флюсов.

16. Перечислите металлургические функции шлаков.

17.Что такое коэффициент эффективности массообмена и как его определяют?

18. Назовите виды раскислительных процессов при сварке.

19.Почему обычно применяют несколько раскислителей?

20.Каков механизм диффузионного раскисления стали шлаком?

21.Как легируют металла шва?

22.Что такое коэффициент перехода элемента?

23. Каков механизм рафинирования стали от серы и фосфора?

24.Каков механизм возникновения пор в металле шва?

25. Какие газы могут быть причиной пористости сварных швов?

26.Каковы причины образования шлаковых включений в металле шва?

27. Что усиливает ликвацию и как она влияет на качество металла?

79