Лекции 18-25 (1043961), страница 2

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

Текст из файла (страница 2)

2Ti + N₂ 2TiN.

Таким способом можно удалить из аргона следы влаги, кислорода и азота.

Особенности сварки различных сталей и сплавов в инертных газах

Сварку стальных деталей малой толщины осуществляют обычно аргонодуговой сваркой неплавящимся W-электродом с присадочной проволокой, что обеспечивает наиболее высокое качество сварных соединений. Спецификой сварки не полностью раскисленных низкоуглеродистых сталей, особенно кипящих, является получение металла шва со склонностью к пористости вследствие окисления углерода содержащейся в стали закисью железа и выделения СО из ванны по реакции

[Fe₃C] + [FeO] 4Fe + CO, (10.24)

которая идет за счет кислорода, накопленного в сталях во время их выплавки, но может возникнуть при наличии примесей к аргону, а также за счет влажности газа и содержащегося в нем кислорода.

Для подавления реакции (10.24) в сварочной ванне нужно иметь достаточное количество раскислителей (Si, Mn, Ti), т. е. использовать сварочные проволоки Св-08ГС или Св-08Г2С (табл. 10.3). Можно снизить пористость путем добавки к Ar до 5 % О₂, который, вызывая интенсивное кипение сварочной ванны, способствует удалению СО до начала кристаллизации.

Таблица 10.3. Состав наплавленного металла при сварке
проволоками различных марок низкоуглеродистых сталей
(ГОСТ 2246–70), %

Марка проволок	С	Si	Mn	Тип раскисления
Св-08ГС	До 0,1	0,6–0,85	1,4–1,7	Среднераскисленный
Св-08Г2С	0,05–0,11	0,7–0,95	1,8–2,1	Высокораскисленный

Среднелегированные стали содержат в своем составе достаточное количество активных легирующих компонентов для подавления пористости, вызываемой окислением углерода. При сварке W-электродом в среде аргона уровень водорода, вызывающего образование водородных пор, незначителен. Поэтому главное внимание обращают на формирование благоприятной схемы кристаллизации. Это обеспечивает плотную структуру шва, а состав металла шва соответствует составу основного металла, если присадочные проволоки близки к нему по составу. Для увеличения глубины проплавления применяют активирующие флюс-пасты на основе CaF₂, наносимые на кромки перед сваркой.

Аустенитные коррозионно-стойкие и жаропрочные стали марок 12Х18Н10Т, Х23Н18 и др., сваривают в среде аргона неплавящимся электродом с присадочным материалом, обеспечивающим 4…6 % Fe_δ в шве для предотвращения образования горячих трещин. Аустенитно-мартенситные стали очень чувствительны к влиянию водорода, который сильно охрупчивает металл шва и обусловливает его замедленное разрушение в виде холодных трещин. В этих случаях требуется осушка аргона или добавка к нему многовалентных фторидов SiF₄, которые связывают водород в атмосфере дуги и уменьшают поглощение водорода металлом.

Сварку стальных конструкций повышенной толщины (от 10 до
20 мм) выполняют более производительным плавящимся электродом на постоянном токе обратной полярности. При этом в аргон добавляют 20 % СО₂ или 5 % О₂ либо их тройные смеси с целью обеспечения мелкокапельного переноса. Капли металла окисляются с поверхности, что снижает поверхностное натяжение и ускоряет их отрыв. В сварочной ванне оксиды металла восстанавливаются раскислителями, введенными в состав электродного металла. Добавка кислорода к аргону позволяет также снизить критическое значение сварочного тока, при котором обеспечивается мелкокапельный или струйный перенос капель в ванну.

При сварке цветных сплавов на основе Al, Mg, Ti и Cu требуется аргон повышенной чистоты, а также тщательная подготовка свариваемых кромок, присадочной и электродной проволоки вследствие опасности появления пористости сварных соединений. Это определяется физико-химическими свойствами металлов.

Сложность металлургических процессов сварки алюминия и его сплавов (Al–Mg, Al–Cu и др.) в защитных газах неплавящимся и плавящимся электродами обусловлена наличием оксидных пленок Al₂O₃ с температурой плавления около 2300 К. Оксиды алюминия способствуют образованию пор в металле шва и снижают пластичность шва. Оксид Al₂O₃ может гидратироваться, т. е. соединяться с парами воды, и при попадании в сварочную ванну он будет обогащать ее водородом, что приведет к пористости в сварном соединении. Поэтому перед сваркой кромки изделия травят в щелочных растворах, механически защищают металл и обезжиривают. Электродная проволока подвергается травлению и механической зачистке. Наилучшим способом подготовки электродной или присадочной проволоки является электрохимическая полировка. Полированная проволока может долго храниться в кассетах с плотной рядовой намоткой и не требует никакой предсварочной обработки.

Основным способом очистки сварочной ванны от оксидов
является катодное распыление. Для этого свариваемый металл должен быть катодом, который бомбардируется положительными ионами – парами свариваемого металла, разрушающими пленки оксидов. Чтобы не перегревать анод (W-электрод), применяют переменный ток. Очистка от оксидов в каждом полупериоде сменяется полупериодом ослабления нагрева вольфрама.

Рассмотрим наиболее производительный способ очистки сварочной ванны, используемый при сварке плавящимся электродом. При этом применяют постоянный ток обратной полярности, т. е. с непрерывной катодной очисткой ванны от оксидов. Главным этапом
получения качественного шва является стадия капли, когда определяется степень насыщения металла водородом. Чем крупнее капля, тем дольше она находится в столбе дуги, а затем создает короткое замыкание дуги и нагревается до температур, близких к температуре
кипения (Т > 2100 К). При этом капля теряет бóльшую долю легирующих элементов (по данным А.Я. Ищенко, в сплаве АМг6 содержание магния снижается до 3…4 %) и насыщается водородом из зоны столба дуги. Поэтому интенсивно разрабатываются процессы управляемого мелкокапельного переноса путем принудительного отрыва капли жидкого металла от электрода на основе пинч-эффекта. В связи с этим весьма эффективна импульсно-дуговая сварка плавящимся электродом на постоянном токе обратной полярности с частотой импульсов 200…300 Гц.

Сварка магниевых сплавов (МА2, МА8, MA2-1) в основном похожа на сварку алюминиевых сплавов, но оксид MgO, составляющий основную часть поверхностного слоя, менее прочно связан с металлом и не обладает такими защитными свойствами, как Al₂O₃.

Основные дефекты при сварке алюминиевых и магниевых сплавов – пористость и наличие оксидных включений в металле шва. Оксиды Al₂O₃ и МgО обладают большей плотностью, чем жидкий металл, не растворяются в сварочной ванне и не всплывают на ее поверхность.

Металлургические процессы сварки титана и его сплавов чрезвычайно осложнены исключительной химической активностью титана. Титан и его наиболее распространенные сплавы (ВТ1, ВТ5, ВТ15, ОТ4) реагируют с кислородом, азотом, углеродом, водородом. Наличие этих соединений приводит к резкой потере пластичности металла сварного шва. Титан особенно чувствителен к водороду, с которым он образует гидриды TiH₂ и TiH_1,75, разлагаю-щиеся при высокой температуре, а при кристаллизации образующие игольчатые кристаллы, которые нарушают связь между метал-лическими зернами титана, вызывая склонность швов к замедленному разрушению. Перед сваркой необходимо контролировать
содержание водорода в титане. Для ответственных конструкций массовая доля водорода не должна превышать 0,006 %. Содер-жание других компонентов воздуха может быть выше: 0,15 % О₂, 0,05 % N₂ .

Для сварки употребляется аргон высшего сорта, прошедший дополнительную очистку. Сварку предпочтительно вести вольфрамовым электродом с применением флюс-паст на основе CaF₂, для сжатия дуги и увеличения глубины проплавления. При сварке титана защищают не только сварочную 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 следует подавать 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; сварку выполняют с помощью манипуляторов. В отдельных случаях создают «обитаемые» камеры, в которых сварщик работает в скафандре, соединенном с внешней средой гибкими шлангами.

Трудности при сварке меди и ее сплавов в защитных газах обусловлены наличием в исходном металле закиси меди Сu₂O, ее образованием при сварке, а также высокой растворимостью водорода в шве. Для получения качественного шва (без пор), сохраняющего уникальные физические свойства – высокую электропроводность и теплопроводность, сварку меди и ее сплавов выполняют в инертных защитных газах: аргоне, гелии и их смесях, а также в чистом азоте, который по отношению к меди проявляет свойства инертного газа. 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, аргонодуговую сварку меди осуществляют с применением специальной флюс-пасты, содержащей раскислители: ферромарганец, ферросилиций, феррофосфор, ферротитан и 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 предъявляют 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.

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 зоны сварки.

Значительные трудности дуговой сварки указанных металлов обусловлены тем, что наличие в шлаковой и газовой фазах кислорода, азота, водорода и их соединений вызывает охрупчивание, появление пор и резкое ухудшение 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. При давлении р ≤ 1,3 10^–1 Па в сварочной камере уже обеспечивается содержание кислорода и азота значительно ниже концентрации этих вредных примесей в аргоне высшего сорта, используемого для защиты сварочной ванны при атмосферном давлении.

Металлургические особенности образования шва при электронно-лучевой сварке во многом обусловлены чрезвычайно высокой плотностью энергии, выделяемой в пятне нагрева (примерно 5 10⁶ 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, ее малый объем и незначительные размеры зоны сплавления способствуют также уменьшению отрицательного влияния диффузионных процессов, вызывающих пористость металла шва;

3) положительное влияние вакуума на качество сварных соединений выражается в том, что значительно ускоряются и облегчаются процессы диссоциации оксидов газов не только в поверхностных, но и во внутренних слоях 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 р ≤ 6,5·10^–2 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 оксидных пленок, которые, как правило, препятствуют получению качественного сварного соединения при дуговых способах сварки.

Лекция 19

Механизм комбинированной газошлаковой защиты металла при сварке

Классификация и типовые составы электродных покрытий

Характеристики

Список файлов лекций