Глава 10 и Контрольные вопросы редактированный (1043890), страница 5

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 5)

Перед сваркой необходимо контролировать содержание водорода в титане. Для ответственных конструкций массовая доля не должна превышать 0,006…0,004%. Содержание других компонентов воздуха может быть выше: О₂-0,15%, N₂-0.05%.

Для сварки употребляется аргон высшего сорта, прошедший дополнительную очистку. Предпочтительно сварку вести вольфрамовым электродом, с применением флюс-паст на основе CaF₂, для сжатия дуги и увеличения глубины проплавления. При сварке титана защищают не только саму ванну, но и весь шов до температуры ~773 К, т. е. необходимо создавать зону аргона перед дугой и обдувать аргоном кристаллизующийся и остывающий шов. Кроме того, аргон подают снизу шва для защиты обратной стороны шва.

Сварку особо ответственных конструкций и изделий выполняют в камерах с контролируемой атмосферой. В этом случае изделие помещают в камеру, заполненную аргоном, процесс сварки ведут с помощью манипуляторов. В отдельных случаях создают “обитаемые” камеры, в которых сварщик работает в скафандре, соединенном с внешней средой гибкими шлангами.

Металлургия сварки меди и ее сплавов в защитных газах. Сварка меди затруднена наличием в исходном металле закиси меди(Сu₂O), ее образованием при сварке, а также высокой растворимостью водорода в шве. Для получения качественного шва – без пор, сохраняющих уникальные физические свойства - высокую электропроводность и теплопроводность, сварку меди и ее сплавов выполняют в инертных защитных газах – аргоне и гелии, и их смесях, а также в чистом азоте, который по отношению к меди является инертным газом. Сварку ведут неплавящимися электродами – вольфрамовым и угольным (не для всех марок меди) на постоянном токе прямой полярности с подачей присадочной проволоки, а также плавящимся электродом. Кроме того аргонно-дуговую сварку меди осуществляют с применением специальной флюс-пасты, содержащей раскислители: ферромарганец, ферросилиций, феррофосфор, ферротитан, а также редкоземельные элементы. Флюс наносят на присадочную проволоку или в канавку на подкладке под корень шва.

В том случае, когда в качестве защитного газа используют азот, особые требования предъявляются к его чистоте по отношению к кислороду. Он может повысить окисленность металла шва и существенно снизить стойкость вольфрамового электрода. Более эффективен угольный электрод в азоте. Он создает дополнительную защиту в виде СО.

Медь и ее сплавы можно сваривать в азоте угольным электродом на графитовой или асбестовой подкладке. Оптимальные условия азотно-дуговой сварки меди разработаны во ВНИИ-автогенмаше.

10.2.5. Металлургические особенности вакуумной защиты сварочной ванны.

Применение в авиакосмической и ракетной технике новых конструкционных материалов на основе титана, молибдена, ванадия и других химически активных и тугоплавких металлов потребовало разработки принципиально новых методов сварки и более эффективных способов защиты сварочной зоны.

Значительные трудности дуговой сварки указанных металлов обусловливаются тем, что наличие в шлаковой и газовой фазах кислорода, азота, водорода и их соединений вызывает охрупчивание, появление пор и резкое снижение физико-механических свойств сварных швов.

Получение высококачественных сварных соединений из химически активных металлов оказалось возможным только после разработки оборудования и технологического процесса сварки электронным лучом в вакуумной камере. В зависимости от глубины вакуума сварка в вакууме в большей или меньшей степени относится к сварке в газовой среде пониженной плотности, также содержащей атмосферные газы. Однако при степени разрежения, равной Р = 1,310ˉ² Па, в сварочной камере уже обеспечивается содержание кислорода и азота значительно ниже концентрации этих вредных примесей в аргоне высшей чистоты. Технически возможен и более глубокий вакуум.

Металлургические особенности образования шва при электронно-лучевой сварке во многом обусловливаются чрезвычайно высокой плотностью энергии, выделяемой в пятне нагрева (примерно 5·10⁸ Вт/см²), и физическими условиями плавления металла в вакууме. Это обеспечивает следующие преимущества:

1. Благодаря весьма высокой интенсивности и сосредоточенности такого источника нагрева, как электронный луч, достигается исключительно узкое и глубокое проплавление металла в вакууме с весьма незначительной по протяженности околошовной зоной, что обеспечивает сокращение объема высокотемпературного нагрева металла и растворенных в нем газов;

2. Кратковременность пребывания сварочной ванны в расплавленном состоянии, малый объем ее и незначительные размеры зоны сплавления способствуют также уменьшению влияния термодиффузии газов и диффузионных процессов, их выделения из расплава, вызывающих пористость металла шва;

3. Положительное влияние вакуума на качество сварных соединений выражается в том, что значительно ускоряются и облегчаются процессы диссоциации оксидов выхода газов не только в поверхностных, но и из внутренних слоев металла. Удаление кислорода и азота из сварочной ванны при электронно-лучевой сварке происходит тем полнее, чем больше упругость диссоциации оксидов и нитридов. Так, при сварке меди, кобальта, никеля обеспечивается практически полная диссоциация оксидов этих металлов в камере с разрежением 6,5·10ˉ² Па. Также интенсивно диссоциируют нитриды алюминия, ниобия, хрома, магния, молибдена;

4. Высокая степень разрежения, которая может быть достигнута в сварочной камере при сварке электронным лучом, способствует разрушению поверхностных загрязнений и окисных пленок, которые, как правило, препятствуют получению качественного сварного соединения при дуговых способах сварки.

10.2.6. Металлургия газопламенной обработки.

При газопламенной обработке используют теплоту горения горючих газов и паров. Она включает сварку, пайку, наплавку и резку металла.

Газовая сварка. Она является особым случаем сварки металлов в активных газах, когда источником теплоты является газовое пламя, а сварка происходит в струе продуктов сгорания - ацетилена в кислороде. В качестве горючих газов наряду с ацетиленом используются также смеси различных газообразных или жидких углеводородов.

Пламя имеет окислительный или восстановительный характер, в зависимости от коэффициента β β ═ VO₂/VC₂H₂, (10.25),

где β - соотношение объемов О₂ и С₂Н₂ .

При значении β<1 в пламени образуется избыток Н₂ и СО - окиси углерода – восстановителя. Это препятствует окислению железа и способствует его раскислению. Кроме того, при сварке стали сварочная ванна растворяет углерод или образовывает карбиды:

3Fe + C = [Fe₃C]; (10.26)

3Fe + 2CO  [Fe₃C] + CO₂. (10.27)

При значении коэффициента β=1…1,2 в результате полного сгорания углерода кислород связывается в СО:

С₂Н₂ + О₂  2СО + Н₂ (10.28)

Получается нейтральное или, так называемое, “нормальное пламя”. Максимальная температура достигается в рабочей зоне около ядра пламени (рис. 10.14). Однако состав продуктов реакции и температура пламени меняется по длине. Вследствие подсоса кислорода из окружающей среды происходит догорание СО и Н₂ – эта часть пламени носит название ореола. Примерная зависимость температуры пламени от расстояния х от среза сопла горелки приведена на рис. 10.14. Состав пламени в рабочей зоне имеет также восстановительный характер, и плавление металла для образования сварочной ванны идет без заметного окисления. При сварке углеродистых и низколегированных сталей защитных свойств пламени достаточно для получения высококачественных соединений преимущественно тонколистового металла.

При сварке цветных сплавов, а также при пайке, для рафинирования металла сварочной ванны используют флюсы.

Так, при сварке медных сплавов, и особенно латуней, применяют жидкий флюс. Он подается в пламя горелки инжекцией вместе с ацетиленом и, сгорая, образует В₂О₃, который закрывает тонкой жидкой пленкой зеркало сварочной ванны, извлекает из нее оксиды меди и замедляет испарение цинка. Также применяют и твердые флюсы, в виде пасты, нанося их на кромки свариваемого металла. Такие флюсы содержат бораты, фосфаты и галиды щелочных металлов.

Газокислородная резка. При значении коэффициента β>>1 пламя получает резко окислительный характер, и используется при разделительной резке или поверхностной строжке металла. Процесс резки стали идет в две стадии:

1. металл разогревается пламенем ацетилено-кислородной горелки до температуры воспламенения металла в струе кислорода, но ниже температуры плавления. Эта температура для малоуглеродистой стали – 1623 К; она повышается с увеличением содержания углерода.

2. на нагретый металл подается под давлением концентрированная струя кислорода, что приводит к локальному окислению железа, обладающих пониженной температурой плавления и к выносу их в жидкой фазе струей кислорода из полости реза. Таким образом металл на кромках реза не переходит в жидкое состояние. Теплота сгорания железа весьма значительна и составляет около 70% от общего баланса теплоты, превышая теплоту от подогревающего пламени. Это позволяет применять вместо ацетилена другие горючие газы: пропан, пропан-бутановую смесь и др. Высокая температура при резке стали практически исключает образование Fe₂O₃ (см. гл. 9), и в продуктах окисления, выносящихся из полости реза, обнаруживаются FeO, Fе₃O₄ и несгоревшее железо в примерно таком соотношении: 20% Fe, 30% FeO, 50% Fe₃O₄.

Кислородно-флюсовая резка. Кислородная резка сталей и чугунов, имеющих большое содержание углерода, затруднена тем, что углерод повышает температуру воспламенения железа и одновременно понижает температуру плавления, т. е. нарушает основные условия резки; Т_{гор в} О₂ < Т_{пл Ме}; Т_{пл МеО} < Т_{гор в} О₂. Кроме того важна жидкотекучесть окислов, удаляющихся из полости реза. Так кремний и хром, образующие вязкие шлаки, затрудняют разделительную резку. В этих случаях применяют кислородно-флюсовую резку, при которой в струю режущего кислорода подается железный порошок. Он повышает температуру в области реза и снижает концентрацию мешающих элементов. Этим методом, который был разработан Г. Б. Евсеевым в МГТУ им. Н. Э. Баумана, можно резать и неметаллические материалы (бетон, шлак) практически элементы любой толщины.

10.3 Сварка электродами с покрытием.

Исторически это метод защиты появился раньше всех уже рассмотренных методов. Он обеспечивает комбинированную газовую и шлаковую защиту и осуществляется при ручной дуговой сварке электродами с покрытием. Промышленное применение этого способа началось в середине 20-х годов. В последние десятилетия комбинированный метод защиты реализуется и при механизированное сварке порошковой проволокой.

Предложенная Н. Н. Бенардосом сварка металлическим электродом без покрытия давала очень низкое качество сварных соединений, так как плавление стали в дуговом разряде приводило к резкому выгоранию углерода, марганца и кремния. Кроме этого, металл шва насыщался кислородом, азотом и водородом воздуха.

Изменение состава металла при плавлении электродной проволоки в воздушной атмосфере показано в табл. 10.4. Из таблицы следует, что в шве уменьшается почти в 4 раза содержание углерода – основного элемента – упрочнителя, а также других легирующих элементов (Si, Mn). Одновременно резко возрастает (в 30 раз) содержание азота, а также кислорода (в 10 раз).

Поэтому свойства металла шва, наплавленного электродом без покрытия, очень низки. Наиболее резко снижается ударная вязкость; она падает до 0,5 МДж/м² вместо 8 МДж/м². Последнее вызвано главным образом увеличением кислорода и азота.

Благодаря разработке покрытий, плавящихся вместе с металлом электрода, удалось повысить качество наплавленного металла и сварного соединения в целом. Это обеспечило широкое применение ручной и механизированной сварки в целом ряде отраслей производства – в строительстве, судостроении, энергомашиностроении и др., где она незаменима благодаря ее маневренности и возможности выполнения сварки в труднодоступных местах.

В настоящее время разработан широкий ассортимент электродов для сварки сталей различного типа и многих сплавов при изготовлении ответственных изделий. Их доля в общем объеме сварочных материалов составляет около 38%. Наряду с этим интенсивно увеличивается объем применения порошковых проволок, содержащих внутри оболочки практически те же компоненты, которые используются при изготовлении покрытий. Однако в шихте порошковых проволок нет технологических добавок типа связующих и пластификаторов. Поэтому они обеспечивают более высокое качество швов, а также автоматизацию процесса сварки, т.е. более перспективны.

10.3.1. Формирование защиты металла при сварке электродами с покрытием и порошковой проволокой.

Для получения качественного соединения необходимо предотвратить химическое взаимодействие металла с воздухом. Это практически достигается в процессе сварки, электродами с защитно-легирующим покрытием представленным на рис. 10.15. электродный стержень плавится с опережением, что приводит к образованию конусного углубления – втулки. Оно направляет поток защитных газов, выделяемых при нагреве покрытия, и капли металла в сварочную ванну. Давление газов в дуге, измеренное специальным зондом, (рис. 10.6) достигает 0,5 атм. Это препятствует доступу воздуха в зону сваривания. Капли металла проходят через дуговой промежуток, уже закрытые тонким слоем шлака, образованного при одновременном плавлении покрытия.

10.3.2. Назначение и основные элементы электродных покрытий.

Состав покрытия электродов определяется рядом функций, которые он должен выполнять: защита зоны сварки от кислорода, водорода и азота воздуха, раскисление металла сварочной ванны, легирование ее заданными компонентами, стабилизация дугового разряда, обеспечение вязкости шлака, препятствующей его стеканию при сварке на вертикальной поверхности и в потолочном положении, легкая отделимость шлаковой корки, экологичность процесса. Электродные покрытия состоят из целого ряда компонентов, которые условно можно разделить на шлакообразующие, газообразующие, ионизирующие, раскисляющие, легирующие и связующие. Некоторые компоненты могут выполнять несколько функций одновременно.

Шлакообразующими компонентами, служат сочетания ряда оксидов и минералов; мел, мрамор СаСО₃, магнезит MgCO₃, полевой шпат К₂О۰Al₂O₃۰6SiO₂; глинозем Al₂O₃, флюорит CaF₂, рутил TiO₂, кварцевый песок SiO₂ и гематит Fe₂O₃. При сплавлении эти компоненты образуют шлаки различного состава и основности.

Газообразующие компоненты – это вещества, разлагающиеся при нагреве с выделением большого объема защитного газа. К ним относятся соли угольной кислоты – карбонаты, а также органические вещества: декстрин, крахмал, целлюлоза, которые, сгорая в электрической дуге, дают много газообразных продуктов – CO₂; СН; CO; H₂; H₂O.

Характеристики

Список файлов лекций