Металлургические процессы при сварке

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1.Особенности взаимодействия металла и шлака при сварке

2.Рафинирование металла шва

Список используемой литературы

1. Особенности взаимодействия металла и шлаков при сварке

Шлаками называются расплавы минерального характера, состоящие из окислов как свободных, так и образующих комплексные соединения, а также галоидов, сульфидов и др. Большинство шлаков нерастворимо в металлах. В расплавленном состоянии металлы и шлаки представляют собой несмешивающиеся жидкости, разделяющиеся по плотности. Свойства шлаков и характер воздействия на металл определяются их химическим составом. Состав шлаков влияет и на их основные физические свойства: температуру плавления, вязкость и ее изменения от температуры, межфазное натяжение на границе раздела шлак металл, плотность и пр. В настоящее время существует две теории, описывающие строение жидких шлаков, молекулярная и ионная. Согласно молекулярной теории шлаки представляют собой системы свободных и химически связанных неметаллических соединений (окислов и пр.), между которыми имеется подвижное химическое равновесие. При этом с металлом взаимодействуют только свободные соединения, в частности окислы. Наличие ионов в шлаках молекулярной теорией не отрицается, но их влиянием в общей схеме взаимодействия шлаков с металлом пренебрегают. По более поздней ионной теории шлаков, разработанной в основном советскими исследователями, шлаки имеют строение ионного типа, т. е. каждый катион окружен анионами, а анион катионами. Силы, определяющие взаимодействие в шлаках, электростатического происхождения. Катионы представляют собой положительно заряженные частицы металлов (К+, Na+, Са+, Mg+, Fe+2, Mn+2, Мп+3), анионы отрицательно заряженные частицы (F-2, О-2, Si074, А1.075 и др.-). Ионное строение расплавленных шлаков подтверж. дается их электропроводностью, а также улучшением электропроводности с повышением температуры. Ионная теория шлаков позволяет объяснить ряд важных явлений, которые трудно или невозможно объяснить с точки зрения молекулярной теории. Однако ионная теория недостаточно разработана, в частности в отношении количественных расчетов. Поэтому в дальнейшем вопросы взаимодействия шлак металл будем рассматривать на базе молекулярной теории.

(V.34)

(Г) для длинного (1) и короткого (2) шлаков изображены на рис. V.24.

Короткими шлаками главным образом являются основные. Они затвердевают в малом температурном интервале, при остывании достаточно быстро переходят из состояния значительной жидкоподвижности к образованию шлаковой корки. Кислые шлаки, как правило, постепенно изменяют свою вязкость, постепенно густеют и после затвердевания имеют аморфное, стеклообразное строение. При сварочном процессе шлаки должны иметь температуру плавления (затвердевания), не слишком сильно отличающуюся от температуры плавления металла. Если температура плавления шлака много ниже температуры плавления металла, то он сильно растекается по нагретым кромкам, слабо защищает сварочную ванну. При очень высокой температуре плавления шлака он собирается только в наиболее нагретой зоне. Края ванны оказываются оголенными. Обычно благоприятным является такое соотношение температур плавления металла и шлака, когда шлак плавится при температуре несколько ниже температуры плавления металла. Например, при сварке сталей эта разница может составлять 200350° С. Однако известны случаи, когда оказывается возможным применять шлаки с температурой плавления более высокой, чем у свариваемого металла. Такое соотношение имеет место при автоматической сварке меди под флюсом ОСЦ-45. Вязкость шлаков при температуре плавления металла, как правило, значительно больше, чем вязкость металла, однако она не должна быть очень большой.

 0,03 пз) удовлетворительными характеристиками обладают шлаки вязкостью 0,83,0 пз при температуре 1500° С. Шлаки вязкостью 10 пз и более оказываются непригодными для сварочных целей. В связи с тем что большая вязкость шлаков является нежелательной, в них добавляют различные плавни, в частности плавиковый шпат, двуокись титана. Такие добавки могут придавать шлаку и другие свойства. Весьма важной характеристикой сварочных шлаков является межфазное натяжение на границе раздела шлак металл. Оно определяет воздействие шлака на формирование наружной поверхности сварных швов при ручной, автоматической и полуавтоматической сварке под флюсом, а также влияет на разделение перемешанных в ванне шлака и металла. Важными характеристиками шлаков являются также их плотность и газопроницаемость. При меньшей плотности (точнее при большей разности плотностей жидких металла и шлака) шлак легче удаляется из сварочной ванны, всплывая на ее поверхность. Газопроницаемость основных шлаков, как правило, больше, чем кислых. Это является их отрицательной характеристикой в отношении защиты металла от газовой атмосферы, но способствует лучшему удалению через шлак газов, всплывших на поверхность кристаллизующейся ванны при понижении температурь! металла. Достаточно хорошая электропроводность шлаков может явиться положительным фактором при электрошлаковой сварке и отрицательным при ручной сварке и некоторых случаях сварки под флюсом.

В целом к шлакам, в частности к сварочным, предъявляют такой комплекс требований, который заставляет осуществлять достаточно сложный выбор их составов, обеспечивающих необходимые свойства при сварке различных металлов и сплавов. Сварочные шлаки получают посредством:

1) расплавления (в ряде случаев после предварительно осуществленного распада) механических смесей различных шлакообразую-щих материалов, соединенных между собой связующими;

2) расплавления шлаков, предварительно полученных из различных материалов плавлением;

3) расплавления смесей порошков.

(V.37)

В связи с тем что сменность шлака при электрошлаковой сварке невелика, в нем происходит накопление закиси железа, реакции (V.36) и (V.37) затормаживаются и степень восстановления Si и Мп по длине шва может измениться Так, например, изменение содержания в металле слитка переплавляемых в медный кокиль двух составов проволок (марки Св-15Г с Si ж 0,02% и Мп ж 1,0% и марки Св-10Г2С с Si ж 0,75% и Мп ж 1,6%) под флюсом марки АН-8 с

(V.39)

величина которой определяется в зависимости от температуры формулой

при сварке под двумя флюсами АН-8 и АН-22, показан на рис. V.26. Наличие кислорода и окислов в электрошлаковом процессе вызывает окисление углерода; главными реакциями его окисления являются:

(V.41)

Обычно при небольшом содержании углерода в электродах и свариваемом металле общие его потери при электрошлаковой сварке невелики, около 0,03%. При высоком содержании углерода в металле (23%) эти потери сильно возрастают, составляя при применении шлаков со значительным содержанием Si02 и МпО до 0,5%. Взаимодействие металла со шлаками зависит не только от их состава, но и от режима электрошлаковой сварки. Так, при увеличений силы сварочного тока увеличивается интенсивность плавления электрода, размер капель практически не изменяется, но время их взаимодействия со шлаком уменьшается, что приводит к меньшему воздействию шлака на металл. Поверхность металлической ванны, контактирующая со шлаком, при этом не изменяется и, следовательно, не может влиять на характер взаимодействия шлака с металлом. Увеличение напряжения удлиняет время контактирования капель металла и шлака и интенсифицирует процессы взаимодействия между ними. Влияют на эти процессы взаимодействия род и полярность тока при электрошлаковой сварке. Так, например, при сварке постоянным током обратной полярности (плюс на электроде, минус на изделии) к каплям, образующимся на электроде, транспортируется кислород, интенсивно окисляющий металл. При прямой полярности кислород транспортируется к металлической ванне. Ее удельная поверхность (отношение поверхности к объему) много меньше, чем у капель, и интенсивность воздействия кислорода при этом значительно меньше. Поэтому при прямой полярности степень окисления легко окисляющихся элементов меньше, чем при обратной. Питание электрошлакового процесса переменным током занимает по интенсивности процесса взаимодействия промежуточное значение. Следует отметить, что при сварке постоянным током обратной полярности размер капель, переходящих с электрода в ванну, меньше, чем при прямой полярности; наибольший размер капель наблюдается при сварке переменным током.

металл сварка шлак флюс

Хотя при электрошлаковой сварке непосредственного контакта металла в реакционной зоне с газами нет, однако состав газов над шлаковой ванной может оказать существенное воздействие на окисление металла. Так, применительно к влиянию газовой фазы над шлаковой ванной на рис. V.27 показано изменение содержания марганца (АМп%) при наличии над шлаком воздуха 7 (без защиты) и аргона 2 (или азота). Во втором случае степень выгорания марганца значительно меньше, хотя флюс (шлак) в обоих случаях по своему исходному составу является одинаковым. В еще большей степени ьлияние защиты поверхности шлаковой ванны наблюдается при электрошлаковой сварке титана, весьма интенсивно соединяющегося с кислородом и азотом и ухудшающим при этом свои свойства. Без защиты шлаковой ванны аргоном, даже при шлаках, состоящих целиком из галоидов и не содержащих окислов, удовлетворительных свойств металла электрошлакового шва получить не удается. При защите поверхности шлаковой ванны аргоном шов практически не насыщается вредными газами и обладает значительно лучшими свойствами. В еще большей степени совместное воздействие шлака и газов на металл проявляется при других способах сварки плавлением.

2. Рафинирование металла шва

Расплавленные шлаки и газы от электродных обмазок, а также флюсы взаимодействуют с расплавленным металлом сварочной ванны, образуя химические реакции металлургического процесса.

В сварочной ванне проходят такие же металлургические процессы, как и в сталеплавильных печах. Шлак при сварке образуется из расплавленного электродного покрытия, содержащего различные минеральные вещества, руды, горные породы и т. д. Шлак защищает ванну от доступа воздуха, а также замедляет скорость охлаждения шва. Этого достаточно для улучшения качества шва, но не для получения высококачественного металла шва. Необходимо легирование металла, т. е. введение в ванну таких элементов, как марганец, хром, кремний, никель и другие, а также рафинирование.

Рафинирование металла - это удаление избыточного количества вредных примесей и газов из металла шва.

В сталях вредными газами и примесями являются азот N₂, водород Н₂, кислород O2, сера S, фосфор Р.

Основные особенности металлургических процессов в сварочной ванне, отличающие их от таких же процессов в сталеплавильных печах, состоят в том, что при сварке масса нагретого и расплавленного металла очень мала, высокая температура (до 2400єС) нагрева, число капель электродного металла, проходящих через дуговое пространство в сварочную ванну, незначительно, теплоотвод из сварочной ванны и химические реакции протекают очень быстро и не всегда могут завершиться полностью, кристаллизация металла шва скоротечная.

При сварке проходят в основном следующие металлургические процессы: окисление, раскисление, легирование, рафинирование и борьба с растворением газов в металле. Исходя из требований к металлу шва, применяют различные типы электродных покрытий. Преобладание кислотных или основных окислов делают расплавленный шлак кислым или основным по типу. В зависимости от характера металлургических реакций, протекающих в сварочной ванне, и от химического состава расплавленного шлака электродные обмазки делятся на следующие типы: кислые (рудно-кислые), рутиловокислые, или ильменитовые, основные.

Ильменитом называют титанистый железняк FeTiO₃ - минерал класса оксидов. Это основная руда для получения титана. Еще его называют титановый (ильменитовый) концентрат.

Кислые типы расплавленного шлака сварочной ванны характеризуются реакциями, аналогичными реакциям выплавки кипящей стали в сталеплавильных печах. Важнейшими кислотными оксидами в обмазках выступают SiO₂ и Тi₂. Основной реакцией в ванне является реакция восстановления закиси железа углеродом:

FeO + С = Fe + СО,

сопровождаемая образованием газообразной окиси углерода, вызывающей кипение ванны. Для быстрого проведения указанной реакции в обмазку вводятся в большом количестве оксиды железа в форме железных руд и другие оксиды, легко отдающие кислород и способные интенсивно окислять металл ванны, например двуокись марганца М_nO₂ в форме минерала - пиролюзита. Дополнительным источником углерода является ферромарганец. В сварочной ванне протекают экзотермические реакции, которые дополнительно разогревают ванну.

Ферросплавы, кроме легирующих, имеют свойства сильных раскислителей и уменьшают содержание кислорода в ванне, восстанавливая закись железа в железо.

При сварке стали в большом количестве окисляется железо, и в результате реакции получается низший оксид железа FeO, который необходимо восстанавливать в железо.

Список используемой литературы

1. http://www.aspar.com.ua/svarochnyeprocesy/36.html

2. http://metalloved.com/spravochnik/svarochnye_raboty/metallurgiya_svarki/

Размещено на Allbest.ru