Физико химические процессы протекающие в сварочной ванне

Обновлено: 09.01.2025

Сварочная ванна образуется в результате расплавления и перемешивания металла заготовок и электрода, а также присадочного материала. В своей передней части она контактирует с газовой атмосферой дуги, в хвостовой — со слоем расплавленного шлака, а по бокам — с холодным твердым металлом заготовок.

Химический состав сварочной ванны определяется составом электрода (присадочного материала) и металла заготовок. Конечный состав шва устанавливается после протекания металлургических процессов в сварочной ванне. Особенности металлургических процессов при дуговой сварке заключаются в высокой скорости нагрева и охлаждения, а также кратковременности существования сварочной ванны.

Металлургические процессы, протекающие в сварочной ванне, условно можно разделить на взаимодействие расплавленного металла с газовой фазой, его взаимодействие с пленкой расплавленного шлака и кристаллизацию расплава.

Особенности взаимодействия расплавленного металла с газовой фазой определяются составом газовой атмосферы дуги и околоду- гового пространства, а также химическими свойствами элементов, содержащихся в расплаве. Атмосфера дуги и околодугового пространства содержит смесь газов (кислород, водород, азот, СО, С0₂) и паров воды, металлов и шлаков.

Количественное соотношение газов зависит от вида сварки и способа защиты сварочной ванны. При высоких температурах дуги газы диссоциируют и переходят в атомарное состояние. При этом возрастает их химическая активность и растворимость в расплаве металлов. Кислород, водород и азот попадают в зону дуги из воздуха, сварочной проволоки, покрытий электродов, флюсов и защитных газов, а также из слоев ржавчины, оксидных пленок, органических загрязнений и конденсата на поверхностях заготовок.

Кислород, взаимодействуя с расплавом, окисляет металлы. Оксид железа растворяется в металле шва и окисляет примеси и легирующие элементы, обладающие большим химическим сродством к кислороду (кремний, марганец, титан, хром и алюминий). Полученные оксиды, нерастворимые в железе, обычно переходят в шлак (но они могут частично остаться в сварном шве в виде неметаллических включений).

Водород хорошо растворяется в расплавленном металле и плохо — в твердой фазе. Поэтому водород может быть причиной пористости сварного шва. Водород взаимодействует с рядом легирующих металлов (титан, ниобий), образуя гидриды.

Азот растворяется в расплавленном металле. При концентрации азота, превышающей его предел растворимости, он вступает в химическую реакцию с легирующими элементами (титан, алюминий), образуя нитриды.

Взаимодействие металла с газовой фазой приводит к выгоранию легкоокисляющихся легирующих элементов и уменьшению их содержания в сварном шве но сравнению с содержанием в основном металле, образованию посторонних (твердых или газообразных) включений в шве, снижению прочностных параметров, а главное, к ухудшению пластических свойств сварного шва.

Уменьшить отрицательное влияние газовой атмосферы на свойства сварного шва можно следующими способами:

• создание эффективной защиты дуги и сварочной ванны за счет использования покрытий электродов, флюсов, защитных газов и вакуума;
• тщательная очистка свариваемых поверхностей от оксидных, жировых и других пленок;
• прокаливание сварочных материалов;
• осушка защитных газов;
• введение в состав сварочных материалов элементов-раскис- лителей, способных связывать кислород в нерастворимые оксиды (для железа — марганец, кремний, титан);
• применение сварочных материалов с повышенным содержанием легирующих элементов, выгорающих при сварке.

Особенности взаимодействия расплавов металла и шлака определяются химическим составом шлака и условиями перераспределения растворимых соединений между контактирующими жидкими фазами.

Одно из назначений электродного покрытия и флюса — раскисление металла сварочной ванны, удаление из нее вредных примесей посредством связывания и перевода их в шлак в виде нерастворимых соединений. Шлак образуется в результате взаимодействия расплавленных материалов электродных покрытий и флюсов со сварочной ванной и газовой атмосферой.

При сварке сталей в качестве раскислителей используют марганец и кремний, которые восстанавливают железо из его оксида. Нерастворимые оксиды марганца и кремния выводятся в шлак. Марганец также взаимодействует с растворенной в железе серой, связывая ее в тугоплавкий сульфид марганца. Шлак может содержать химические элементы, дополнительно легирующие сварной шов.

Кристаллизация расплава с образованием сварного шва начинается от границ оплавленных зерен. Происходит рост столбчатых кристаллов к центру шва. Их оси перпендикулярны поверхности движущейся сварочной ванны. Поэтому кристаллы изгибаются и вытягиваются в направлении сварки.

Междендритная ликвация приводит к расположению примесей по границам кристаллов, где они могут образовывать легкоплавкие эвтектики и неметаллические включения. Это ухудшает механические свойства сварного шва и может вызвать образование горячих трещин.

Физико-химические процессы, возникающие при сварке

Существует три состояния вещества, отличающиеся между собой силами взаимодействия атомов и молекул: твердое, жидкое и газообразное. Переход вещества из одного состояния в другое сопровождается большими затратами энергии, прикладываемой извне. Для твердого и жидкого состояния характерны небольшие расстояния между молекулами, между которыми действуют силы взаимного притяжения. По мере перехода вещества в жидкое, а затем в газообразное состояние эти расстояния увеличиваются, а силы их взаимодействия снижаются. Этот процесс наглядно представлен во время сварки, когда металл плавится, частично переходит в газообразное состояние, а затем возникают обратные процессы, именуемые кристаллизацией.

Процесс плавления металла в зоне сварочного шва приводит к возникновению сложных физико-химических процессов и к образованию характерного соединения, отличающегося по своей структуре от основного металла.

Под физическими понимают процессы, которые не меняют строения элементарных частиц и не приводят к изменению химических свойств основного металла. К таким процессам относятся:

прохождение электрического тока и тепловые колебания кристаллической решетки;
переход основного и электродного вещества из твердого состояния в жидкое (плавление), перемешивание их между собой, кристаллизация металла в зоне сварочной ванны;
напряжения и деформации, возникающие в кристаллической решетке сварочного шва и прилегающей к нему зоны основного металла.

Химические процессы меняют свойства основного металла, в результате чего получаются новые соединения, имеющие отличные свойства. К основным химическим процессам относятся:

химические реакции, возникающие в газовой и жидкой фазах и на их границах;
образование оксидов, шлаков и других соединений, отличающихся своими химическими свойствами от основного металла.

Влияние физико-химических процессов, происходящих в сварочном шве на прочность соединения настолько велико, что следует рассмотреть этот вопрос более подробно.

Плавление металла

Плавление основного и присадочного материалов в процессе сварки происходит под действием концентрированной энергии, вызванной сварочной дугой, пламенем горелки или одним из других способов, о которых мы расскажем ниже. Если в зону сварки не подается дополнительный металл, то сварочная ванна образуется только за счет основного соединения. Но чаще сварочная ванна получается смешиванием основного и присадочного металла, вносимого непосредственно в зону сварки электродом, сварочной проволокой и т.д. Сливаясь и перемешиваясь между собой, основной и присадочный металл образуют общую сварочную ванну, границами которой служат оплавленные участки основного металла. Расплавленный в зоне подачи концентрированной энергии металл кристаллизуется, образуя сварочный шов.

Сварочный электрод плавится за счет тепла, сконцентрированного на его конце в приэлектродной области дуги. Количество тепла, выделяемого в этой области, напрямую зависит от силы тока и электрического сопротивления промежутка, образовавшегося между электродом и основным металлом. И чем больше вылет электрода, тем больше его сопротивление, и тем больше выделяется тепла. Нагреваясь до температуры 2300 — 2500°С, конец электрода плавится, а образовавшиеся при этом капли металла переносятся через дуговое пространство и попадают в сварочную ванну. Этому процессу способствуют электростатические и электродинамические силы, поверхностное натяжение, тяжесть металлической капли, давление газового потока, реактивное давление паров металла и т.д. Все эти силы, взаимодействуя между собой, формируют характер капельного переноса, который может быть крупнокапельным, мелкокапельным и струйным (рис.1).

Рис. 1. Расплав и перенос электродного материала: А — метод короткого замыкания; Б — капельный метод; В — cтруйный метод

Крупнокапельный перенос металла характерен для ручной дуговой сварки, мелкокапельный — для сварки под флюсом или в среде углекислого газа, а струйный - для сварки в среде аргона.

Силы поверхностного натяжения формируют каплю на конце электрода и направлены внутрь нее. В отрыве и переносе капли участвуют электродинамические силы и давление газовых потоков. И чем больше сила тока, тем больше эти силы и тем меньшими по размеру будут капли расплавленного металла. При этом происходит электрический взрыв перемычки, образованной между отделяющимся каплей и торцом электрода. Этот взрыв сопровождается выбросом части металла за пределы сварочной ванны (так называемым разбрызгиванием, когда сварочный процесс сопровождается фонтаном искр).

Основной металл плавится под воздействием сконцентрированного в активном пятне тепла, возникающего под воздействием дуги или газопламенной обработки. Электромагнитные силы, вызывающие осевое давление плазменного потока на сварочную ванну, будут пропорциональны квадрату тока, создающего электрическую дугу. Поэтому, меняя силу тока электрической дуги, меняют размеры сварочной ванны в зависимости от толщины свариваемых деталей. Зависимость размеров сварочной ванны от величины напряжения можно выразить уравнениями:

где В — ширина сварочной ванны, L — длина сварочной ванны, Н — глубина сварочной ванны, vсв — скорость сварки, S — толщина свариваемого металла, К — коэффициент, зависящий от рода тока, полярности, диаметра электрода, степени сжатия дуги и т.д.

Процесс формирования сварочной ванны, происходящий под действием силы тяжести расплавленного металла «Рм», давления сварочной дуги «Р » и сил поверхностного натяжения «Рн», представлен на рис.2.

Рис.2 Силы действующие в сварочной ванне и формирование шва: А — нижнее положение; Б — вертикальное; В — горизонтальное; Г — потолочное; Vcb — направление сварки; 1 — порез; 2 — наплыв

Формирование вертикального шва может происходить по двум направлениям - снизу вверх и сверху вниз. Когда шов формируют снизу вверх, то есть сварка выполняется на подъем, жидкий металл удерживается в ванне только силами поверхностного натяжения, а при сварке сверху вниз к этим силам добавляется давление дуги. Горизонтальный шов на вертикальной плоскости имеет свои особенности. В данном случае при неправильно выбранных режимах сварки жидкий металл может концентрироваться на нижней плоскости шва, нарушая симметрию, что в конечном итоге снижает прочность сварки.

При потолочной сварке силы, действующие на жидкую фазу металла, должны не только удерживать ее от стекания вниз, но и перемещать электродный металл в направлении, противоположном силам тяжести. Во всех указанных случаях следует ограничить размеры сварочной ванны и тепловую мощность дуги.

Кристаллизация металла

Затвердевание расплавленного металла, происходящее в хвостовой части ванны, называется кристаллизацией. Под действием сварочной дуги основной и дополнительный металлы, расплавленные в головной части ванны, перемещаются в ее хвостовую часть, где при снижении температуры подвергаются кристаллизации. Динамика этого процесса такова: сварочная дуга, направленная в головную часть ванны, повышает в этой области температуру, в результате чего происходит плавление основного и электродного металлов.

Механическое давление, оказываемое дугой на жидкую фазу основного и дополнительного металлов, вызывает их перемешивание и перемещение в хвостовую часть ванны. Таким образом, давление, вызванное дугой, приводит к вытеснению металла из основания ванны и открывает доступ к следующим слоям, где поддерживается необходимая для плавления температура. По мере удаления металла от зоны плавления отвод тепла начинает преобладать над его притоком, и температура жидкой фазы снижается.

Расплавленные фазы основного и электродного металла перемешиваются между собой и, затвердевая, образуют общие кристаллы, что обеспечивает монолитность сварочного соединения.

Снижение температуры в хвостовой части ванны происходит за счет усиленного теплоотвода в прилегающий холодный металл, так как его масса по сравнению с ванной значительно преобладает. Кристаллы металла начинают формироваться от готовых центров основного металла в направлении ведения сварки и принимают форму кристаллических столбов, вытянутых в сторону, противоположную теплоотводу.

ОСНОВНЫЕ ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ В СВАРОЧНОЙ ВАННЕ

Эти особенности вносят определенные трудности в получении качественного шва, но при правильно выбранной технологии сварки данной марки стали или сплава, правильно выбранном режима сварки или другими словами высокой квалификации сварщика можно получить равнопрочный свариваемому металлу шов. Это и требуется от сварочного соединения.

ОСНОВНЫЕ ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ В СВАРОЧНОЙ ВАННЕ

1. ВЛИЯНИЕ КИСЛОРОДА.

Кислород попадает в сварочную ванну из воздуха и с железом образует три оксида Fe₃O₄; Fe₂O₃; FeO.

Самым нежелательным из них является FeO, который растворяется в расплавленном металле, а в процессе кристаллизации сварочной ванны, выделяется по границам столбчатых кристаллитов ( характерных для литой структуры) или зерен, нарушая и расслабляя связь между ними. В результате значительно снижается прочность, ударная вязкость, пластичность шва, т.е. основные механические свойства. Для уменьшения влияния кислорода:

— необходима надежная газовая и шлаковая защита сварочной ванны от воздуха, что и осуществляется за счет покрытия электрода;

— так же в покрытие вводятся раскислители, т.к. защита не гарантирует проникновение воздуха. Раскислителями называются химические элементы, обладающие большим сродством (активностью) к кислороду, чем железо. По этому признаку, наиболее встречаемые в сварочной ванне элементы, можно расположить в следующем порядке:

AL; Ti; V; Si; C; Mn; Cr; Fe; W; Co. . . .

Элементы, стоящие с ряду левее железа будут являться раскислителями. Из них AL не используют, т.к. образуются тугоплавкие, тяжелые и трудно выводимые из сварочной ванны оксиды. Наиболее широко применяются вводимые в виде ферросплавов Ѕi, Mn, Ti, которые восстанавливают железо из FeO и образуют нерастворимые, легко всплывающие и переходящие в шлак ЅiО2; MnO; TiO2.

2. Влияние углерода.

Углерод содержится, при сварке сталей, в основном металле, а так же в электроде. Является раскислителем и при чем его активность зависит от температуры. Например, от 1800 град, он своей активностью к кислороду превосходит титан, стоящий на втором месте, а от 2000 град. и алюминий. Температура сварочной ванны примерно в этих пределах и при восстановлении железа по реакции FeO + C = Fe + CO происходит его «выгорание», т.к. СО представляет собой газ. Пониженное содержание углерода повышает пластичность металла шва, но снижает его прочность. «Выгоранию» углерода препятствует кремний, при его содержании в основном металле 0,2 — 0,3 % и более.

3. Влияние азота.

Азот попадает в сварочную ванну из воздуха и образует с железом нитриды Fe₂N; Fe₃N, которые повышают прочность и твердость металла шва, но снижают его пластичность, что является нежелательным. Для уменьшения влияния азота достаточно надежной шлаковой и газовой защиты сварочной ванны от воздуха во время сварки.

4. Влияние водорода.

Причиной появления водорода в сварочной ванне является вода, которая при высокой температуре распадается на атомарный водород (+Н) и (-ОН). Атомарный водород, растворяясь в расплавленном металле, а при кристаллизации сварочной ванны, преобразуясь в молекулярный (Н₂), скапливается в отдельных местах, образует поры (пузырьки) снижающие прочность шва. Кроме того, при усадке металла сварочной ванны, происходит сжатие водорода в пузырьках до десятков атмосфер в результате чего, при недостаточной пластичности металла возможно образование микротрещин, очень опасных для шва. Вода может попасть в сварочную ванну из — за:

—влаги на свариваемых кромках;

— ржавчины, окалины на кромках, т.к. они являются гидратами оксидов, например

— влажности покрытия электрода.

Для уменьшения влияния водорода следует:

— свариваемые кромки осушить;

— зачистить кромки до блеска стальной щеткой от ржавчины и окалины;

— влажное покрытие электрода просушить в сушильных шкафах или печах. Время просушки и допустимое содержание влаги в покрытии, указывается на бумажных ярлыках пачек электродов.

5. Влияние серы и фосфора.

Сера и фосфор могут попасть в сварочную ванну:

— из покрытия электрода. Чем меньше в нем их содержание, тем выше качество покрытия;

— из электродного (присадочного) и основного металла, в которых они являются вредными примесями и так же определяющими качество стали.

Сера придает металлу красноломкость, т.е. снижение прочности и явления ползучести при высоких температурах эксплуатации конструкции, а так же способствует появлению горячих трещин в шве. Это объясняется тем, что сера образует с железом сернистое железо Fe₂S имеющее температуру плавления 1193 град, меньшую, чем у железа 1539 град. Оно расплавляется по границам кристаллитов (зерен) и при высокой температуре плавится в первую очередь. Уменьшает влияние серы марганец, содержащийся в покрытии, при этом MnS переходит в шлак.

Фосфор придает металлу хладноломкость, т.е. снижение прочности и пластичности при низких температурах эксплуатации конструкции, а так же способствует образованию холодных трещин в шве. Уменьшает влияние фосфора кальций, содержащийся в большом количестве в электродах с основным покрытием. Вот почему, сварку при низких температурах следует вести электродами с основным видом покрытия, во избежание появления холодных трещин.

Общие сведения и особенности сварочной металлургии

Лекция 4. Металлургические процессы при сварке плавлением: особенности, формирование и кристаллизация металл шва, зона термического влияния, старение и коррозия металла сварных соединений.

Общие сведения и особенности сварочной металлургии

По своей природе сварка является металлургическим процессом. Металлургия сварки характеризуется теми физико-химическими процессами, которые протекают в сварочной зоне. Они определяются взаимодействием расплавленного металла со сварочными флюсами, шлаками и газами, а также охлаждением и кристаллизацией металла шва и превращениями основного металла в зоне термического влияния. Эти процессы протекают на всех стадиях дуговой сварки: в период плавления электрода, перехода капли жидкого металла через дуговой промежуток и в самой сварочной ванне. Однако в отличие от общей металлургии, характерной для сталеплавильных агрегатов, условия протекания металлургических процессов при сварке отличаются рядом особенностей, влияющих как на ход их развития, так и на получаемые результаты.

В этих условиях наблюдается активное взаимодействие расплавленного металла с окружающей газовой средой и флюсами, нагретыми до высоких температур. Протекание процессов происходит с большой скоростью. Однако в связи с кратковременностью существования расплава и постоянного обновления взаимодействующих фаз чаще всего они не доходят до полного завершения и большинство реакций в сварочной зоне не достигает равновесного состояния. К тому же создаются условия, препятствующие полному очищению металла шва от различных неметаллических включений, оксидов и газов, которые из-за быстрого затвердевания расплава не успевают выходить на поверхность сварочной ванны и удаляться в шлак. С другой стороны, высокие скорости охлаждения и кристаллизации металла существенно отражаются на строении получаемых швов, приводят к мелкозернистой структуре их, уменьшению химической неоднородности, а в результате - повышению свойств литого металла шва.

Имеющие место металлургические процессы связаны с протеканием определенных химических реакций, в результате которых может происходить окисление или раскисление металла шва, легирование его определенными элементами, растворение и выделение в шве газов и др. Некоторые из них ведут к ухудшению свойств получаемых соединений и являются нежелательными (например, окисление), другие способствуют повышению качества и свойств соединений и часто проводятся преднамеренно, например, раскисление. Поэтому в том или ином случае назначения условий сварки необходимо исходить из анализа прохождения всего комплекса физико-химических процессов, имея в виду, что общим результатом их должно быть получение металла шва с определенными свойствами и определенного химического состава. Это определяется не только составом присадочного и основного металла, но и в значительной степени зависит от характера и интенсивности реакций, протекающих в процессе сварки.

Сварные соединения

Физико-химические процессы, протекающие в зоне сварки

Сварка — технологический процесс получения неразъемных соединений посредством образования межатомных или межмолекулярных связей на поверхностях соединяемых заготовок. Следовательно, заготовки необходимо сблизить на расстояния, при которых начинают работать межатомные силы сцепления.

Физические основы сварки.

Всякое твердое или жидкое тело представляет собой систему атомов, ионов или молекул, связанных между собой внутренними силами притяжения. Для соединения двух твердых тел с получением общего монолита необходимо установить между их поверхностными атомами непосредственную связь, т.е. сблизить их на расстояния, сопоставимые с величиной параметра кристаллической решетки. При этом надо преодолеть энергетический барьер потенциальной энергии системы атомов поверхностных слоев, т.е. необходимо затратить дополнительную энергию — энергию активации поверхности. В зону сварки такую энергию можно внести различными способами, например в виде:

• теплоты (термическая активация);
• упругопластической деформации (механическая активация);
• электронного или ионного облучения (радиационная активация).

По виду и способу внесения в зону сварки дополнительной энергии различают сварку электрическую (все виды дуговой сварки, элекгрошлаковая, контактная сварка и др.), химическую (газовая) и механическую (холодная, трением и др.) и др. По агрегатному состоянию зоны сварки различают сварку плавлением и сварку давлением.

Сварка давлением. При сварке давлением заготовки соединятся путем совместной пластической деформации поверхностей. В процессе сближения заготовок пластически деформируются микронеровности, разрушаются и удаляются оксидные пленки, обеспечиваются плотный контакт между заготовками и условия для действия межатомных сил. Для снижения сопротивления деформации зону сварки обычно нагревают.

Сварка плавлением. При сварке плавлением в зону сварки вносят тепловую энергию достаточную для расплавления кромок свариваемых заготовок. Расплавленные материалы заготовок перемешиваются и после кристаллизации образуют единый сварной шов.

В процессе сварки плавлением в сварочной ванне за короткий промежуток времени происходят сложные процессы взаимодействия различных внешних и внутренних компонентов (рис. 5.3).

Материалы заготовок и дополнительный (присадочный, сварочная проволока) материал, вносимые в сварочную ванну, состоят из основного металла, легирующих элементов, растворенных газов и посторонних включений. Эти элементы взаимодействуют друг с другом, с газами атмосферы, с жидким металлом сварочной ванны, с материалом покрытий и с образующейся шлаковой ванной. В результате химический состав и свойства сварного шва могут значительно отличаться от химического состава и свойств металлических компонентов сварочной зоны.

Кристаллизация металла сварного шва начинается с частично оплавленных зерен основного металла заготовок, располагаемых на границах зоны расплавления. К решетке этих зерен присоединяются атомы кристаллизующейся фазы. По завершении кристаллизации в зоне расплавления образуются зерна, частично состоящие из металлов заготовок и металла шва. Этот процесс обеспечивает сварное соединение.

Рис. 53. Взаимодействие внешних и внутренних компонентов со сварочной ванной

При перемещении сварочной ванны вдоль кромок заготовок в передней части сварочной ванны происходит оплавление металлов, а в задней — кристаллизация, что обеспечивает формирование сварного шва. Кристаллизация сварного шва отличается от кристаллизации слитков высокой концентрацией источника тепла и высокой скоростью охлаждения. Поэтому шов неоднороден по размеру и химическому составу зерен. В верхней части шва образуются более крупные кристаллы ветвистой формы (дендритное строение), в нижней части — более мелкие кристаллы удлиненной формы (транскристаллитнос строение).

Читайте также: