Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Волгоградский государственный технический университет

Кафедра «Оборудование и технология сварочного производства»

РЕФЕРАТ

по дисциплине: «Металлургические процессы в сварке»

на тему: «Растворимость водорода при сварке и его влияние на свойства металла сварного соединения»

Выполнил:

студент группы МС-328

Саяпин А.В.

Волгоград 2014

Содержание

1. Влияние водорода на металл шва и сварное соединение

2. Растворимость водорода в металле

3. Источники водорода в процессах сварки плавлением

Список литературы

1. Влияние водорода на металл шва и сварное соединение

Водород оказывает значительное влияние на свойства металлов и на процессы сварки, что часто недооценивается в должной степени при разработке и построении технологических процессов сварки. Дефекты в сварных соединениях, возникающие из-за влияния водорода, нередко относят за счет других причин, если не уделяют этому вопросу должного внимания.

Влияние водорода на свойства сварных соединений весьма сложно и иногда носит случайный характер, а именно: при незначительном изменении состава металла (газонасыщенности) в сварном соединении вдруг появляются дефекты (поры, трещины), которые потом могут исчезнуть также при незначительном изменении условий (другой партии металла, изменении режима прокалки электродов и т. д.).

При выполнении ответственных сооружений и конструкций случайности недопустимы, поэтому в последние годы появилось большое количество работ, посвященных исследованию влияния водорода на свойства металлов в процессе сварки и на прочность сварных соединений.

Поведение водорода при сварке различных металлов различно. Например, допустимое количество водорода в стали будет недопустимо высоким для медных или алюминиевых сплавов.

Сложный процесс образования сварного соединения при сварке плавлением, оказывающий сильнейшее термомеханическое воздействие па свариваемый металл, затрудняет рассмотрение влияния водорода, делая неясными причины возникновения в сварном соединении тех или иных дефектов, образовавшихся под действием ряда факторов одновременно.

Тем не менее, зная свойства водорода и его влияние на процессы сварки плавлением, можно в большинстве случаев предотвратить появление в металле шва и в зоне термического влияния таких дефектов, как поры и трещины, или уменьшить вероятность их возникновения.

Растворение водорода в сварочной ванне и неполное выделение его в процессе кристаллизации п дальнейшего охлаждения металла шва может привести к целому ряду дефектов, важнейшими из которых являются следующие:

а) Образование пор в металле шва. При охлаждении жидкого металла шва, в особенности в период кристаллизации (тыльная часть сварочной ванны), последний оказывается перенасыщенным водородом, что приводит к его выделению по реакции

2[H] = H₂.

Так как молекулярный водород нерастворим в металле, его выделение из кристаллизующегося металла может явиться одним из основных факторов, обусловливающих возникновение и развитие пор в металле шва.

б) Образование микротрещин в металле шва и зоне сплавления. Процесс выделения водорода не прекращается и по окончанию кристализации металла. Даже при комнатной температуре он протекает с ощутимой скоростью. Вместе с тем процесс растворения происходит чрезвычайно медленно и получает сколько-нибудь заметное развитие только при нагреве металла до 250--300° С и выше. Поэтому при комнатной температуре не перенасыщенного водородом металла происходит выделение его не только во внешнюю среду, но в значительной степени в микроскопические и субмикроскопические полости (поры), всегда имеющиеся в твердом металле. Это приводит к повышению в них давления, создаваемого молекулярным водородом. Уровень давления молекулярного водорода ограничивается величиной K (уравнение (2)). Учитывая, что растворимость водорода при 20^°С и =1 ата составляет ~см³/100 Г и принимая во внимание данные табл. 1, следует прийти к выводу, что при некоторых процессах сварки степень перенасыщения может в 100 раз превышать предельную растворимость водорода. При этих условиях, исходя из равенства (2), равновесное давление молекулярного водорода в полостях должно составлять 100² = 10 000 ата. Замечено, что сварка малоуглеродистой стало электродами с влажным покрытием или применение недостаточно просушенных флюсов может привести к образованию небольших трещин-надрывов протяженностью до 0,3 мм и выше в том случае, когда наплавленный валик проходит температурный интервал 150--200° С с большой скоростью (например, при сварке без подогрева металла большой толщины на ограниченных режимах) Большинство этих надрывов ориентировано в направлении, перпендикулярной к поверхности свариваемых элементов. Указанные дефекты вызывают местные разрушения материала из-за чрезмерно высоких давлений молекулярного водорода в микропорах (микрополостях).

в) Макротрещины в металле шва. Вследствие достаточной пластичности металла шва на малоуглеродистых сталях микронадрывы, по-видимому, не могут развиваться в макротрещины (кроме случаев сварки толстостенных элементов, когда возникает объемно-напряженное состояние материала). Однако при сварке легированных перлитных сталей, претерпевающих мартенситное или бейнитное превращения в околошовной зоне, в сварных соединениях, содержавших в достаточно высоких концентрациях легирующие примеси, микронадрывы могут развиваться в макротрещииы. Это обусловлено такими факторами, как, а)снижение температуры превращения у>?, вызванное содержанием в металле шва легирующих элементов и водорода; б) относительно меньшее, вследствие этого выделение водорода в процессе охлаждения металла шва до температуры образования микротрещин, связанное с более высокой его растворимостью в у-железе и соответственно более полным его выделением при температуре образования надрывов или при дальнейшем охлаждении; в) повышенная концентрация С, приводящая к возможному образованию мартенсита и возникновению структурных напряжений._в

Влияние водорода на образование трещин в сварных соединениях из сталей имеющих различное эквивалентное содержание углерода, приведено на рис. 1 и 2. Как видно из этих фигур, возрастание эквивалента углерода в свариваемой стали значительно усиливает влияние водорода на склонность к образованию трещин.

г)Образование холодных трещин в околошовной зоне. При дуговой сварке легированных сталей, воспринимающих закалку, в околошонной зоне иногда наблюдается образование трещин, располагающихся примерно параллельно границе сплавления (Рис. 1). Это явление особенно часто наблюдается при сварке легированных сталей малоуглеродистыми электродами с покрытием, содержащим органические компоненты и поэтому выделяющим значительные количества водорода. Образование холодных трещин часто связывают с диффузией водорода из металла шва в околошовную зону. В случае использования для сварки легированных сталей малоуглеродистых электродов, имеющих в покрытии водородосодержащие вещества, металл шва после завершения процесса кристаллизации может содержать значительные количества водорода.

Рис.1 Влияние содержания водорода в шве при сварке под флюсом на образование трещин при различном эквиваленте углерода в основном металле

Превращение у >? в металле шва будет происходить в более ранние моменты времени, чем в околошовной зоне (из-за меньшей степени легирования первого и соответственно меньшей устойчивости аустенита в нем). Вследствие скачкообразного снижения растворимости водорода при превращений у -- а создаются благоприятные условия для его диффузии в околошовную зону, пока еще находящуюся в состоянии твердого раствора. При дальнейшем распаде аустенита в околошовной зоне водород концентрируется в остаточных его объемах и при завершении этого процесса «выталкивается» в микропустоты, созданвая значительные давления. Эти давления в сочетании со структурными и термическими напряжениями и вызывают образование холодных трещин в околошовной зоне.

Рис. 2 Влияние содержания водорода в шве при ручной сварке на образование трещин при различном эквиваленте углерода в основном металле

д) Образование «рыбьих глаз» (сварочных флокенов). Особый дефект сварных швов, получивший название «рыбьи глаза» встречается на поверхности излома разрывных и загибных образцов (разрушившихся по металлу шва). Эти дефекты выявляются в виде светлого диска небольшого диаметра с очень малой полостью в центральной его части.

Светлый цвет излома в месте этих дефектов свидетельствует о наличии хрупкого разрушения связанного с наличием очень больших давлений молекулярною водорода в полости.

Рис. 3 (схема). Образование околошовных трещин Заштрихованные участки соответствуют структуре закалки.

«Рыбьи глаза» отличаются от микронадрывов тем, что они обнаруживаются только на изломах образцов, прошедших испытания в условиях относительно медленной пластической деформации. При испытаниях, вызывающих быструю пластическую деформацию (например, испытание на ударную вязкость), изломы образцов не сопровождаются «образованием рыбьих глаз». Наличие этих дефектов в изломе образцов обычно вызывает снижение пластических характеристик металла шва (относительное удлинение и относительное сужение).

По современным воззрениям, при медленной деформации металла шва, содержащего в достаточном количестве водород, происходит усиленная его диффузия относительно крупные полости из бесчисленных дислокаций, содержащих высокие концентрации водорода, а также из микропор содержащих молекулярный водород при больших давлениях, чем относительно крупные полости (мелкие полости заполняются водородом быстрее, чем крупные). Эта диффузия становится возможной из-за локального повышения температуры металла вдоль плоскостей скольжения, по которым и происходят перемещение атомов водорода.

Сказанное относительно природы образования «рыбьих глаз» позволяв прийти к выводу о том, что удаление водорода из металла шва длительной выдержкой при комнатной температуре или более короткой выдержкой при 250^ 300°С позволяет ликвидировать склонность к образованию указанных дефектов и соответственно повысить пластические свойства металла шва. Это подтверждается опытными данными, приведенными на Рис. 4. Такого рода термическая обработка оказывает благоприятное действие на усталостную прочность металла шва (Рис. 5).

Рис. 4 Влияние отпуска при 250°С на пластичность сварных швов 1 и 2 -- ильменитовые электроды, 3 -- целлюлозные электроды; 4 -- рутиловые электроды. 5 -- электроды основного типа.

Рис. 5. Влияние отпуска для удаления водорода (250°С, 8 час.) на усталостную прочность металла шва.

е)Образование горячих (кристаллизационных) трещин при сварке аустенитиых сталей. Горячие трещины в аустенитных швах могут быть вызваны водородом. Так, при сварке тавровых образцов из стали Х23Н23М3Д3 (Э11-533) электродной проволокой, состав которой близок к составу основного металла, под флюсом АН-23 горячие трещины не наблюдались. Но после того как электродная проволока была посредством катодного травления искусственно наводорожена, в швах появились горячие трещины. Механизм воздействия водорода на процесс образования и развития горячих (кристаллизационных) трещин еще не изучен.

2. Растворимость водорода в металле

В зависимости от температуры газовой фазы водород может находиться в ней в различных состояниях: молекулярном, атомарном п ионизированном. При высоких температурах происходит частичная диссоциация молекулярного водорода на атомарный

Н₂ = 2Н--103,8 ккал/моль,

а также на атомарный в ионизированный водород

Н₂=H+Н⁺+е₀--417.48 ккал/моль.

Степень диссоциации молекулярного водорода на атомарный в зависимости от температуры показана на рис. 6.

Из Рис. 6 следует, что в столбе сварочной дуги (Г = 5000?6000°К) подавляющее количество водорода находится ь атомарном состоянии.

Рис. 6 Влияние температуры па степень диссоциации молекулярных водорода и азота.

Однако при температурах, соответствующих жидкому состоянию металла, большая часть водорода находится в молекулярном состоянии.

Металлы, растворяющие водород, могут быть разделены на две группы. К первой группе относятся металлы, для которых химические соединения с водородом не известны (железо, никель, кобальт, медь и др.). Водород абсорбируется этими металлами в твердом состоянии; при правлении растворимость резко повышается. Молибден, платина, алюминий в твердом состоянии растворяют очень малые количества атомарного водорода. В зависимости от состояния водорода в газовой фазе (атомарный или молекулярный), растворимость подчиняетея уравнениям.

Ко второй группе относятся металлы, образующие гидриды. -- палладий цирконий тигли. ванадий, торий, тантал, а также редкоземельные элементы. Металлы второй группы при небольших количествах поглощенного водорода образуют с ним твердые растворы, при значительных количествах -- гидриды (Pd₂H, PdH, VH, TiH₂, TaH. NbH₂, ZrH₂). В интервале температур 300---700°С водород поглощается этими металлами очень интенсивно. При высоких температурах гидриды разлагаются, вследствие чего начинается обратное выделение газа из металла.

Содержание водорода в металлах первой группы определяется при постоянной температуре его парциальным давлением в газовой фазе, контактирует с металлом.

Если водород находится в атомарном состоянии, растворимость его в металле при постоянной температуре в состоянии равновесия подчиняется линейной зависимости

[H]= К p_H^, (1)

где [Н] -- растворимость водорода в металле в весовых процентах; p_H --парциальное давление атомарного водорода в газовой фазе; К -- константа, зависящая от температуры и фазового (а также агрегатного) состояния металла.

Растворимость водорода, находящегося в газовой фазе в молекулярной форме, подчиняется закону квадратного корня

[H]= К (2)

где p_H2 -- парциальное давление молекулярного водорода в газовой фазе.

Зависимость (2) является косвенным указанием на то, что процессу растворения молекулярного водорода предшествует его диссоциация на атомы. Если в газовой фазе водород находится и в атомарном и молекулярном состоянии» то его растворимость при постоянной температуре может быть выражена зависимостью

[H]= К (3)

где -- общее парциальное давление атомарного и молекулярного водорода, х -- степень диссоциации водорода при данной температуре.

Растворимость водорода в железе при парциальном давлении = 1 в зависимости от температуры показана на рис. 7, а в зависимости от парциального давления (жидкое железо) -- на рис. 8 Из Рис. 7 следует, что с повышением температуры растворимость водорода в железе растет (и, кроме того, определяется фазовым и агрегатным состоянием металла). При расплавлении железа растворимость скачкообразно возрастает, а при кристаллизации так же скачкообразно падает.

Рис. 7. Растворимость в железе водорода при парциальном давления его [Н₂] газовой фазе =1 атa

Растворимость водорода в расплавленном железе при температуре Т и парциальном давлении р_н может быть определена для не слишком высоких температур по следующей эмпирической формуле:

, (4)

где -- парциальное давление водорода в мм рт. ст.; V растворимость в лм/100 Г.

Кривые на Рис. 8 построены на основании уравнения (4).

Рис. 8. Влияние температуры и парциального давления водорода в газовой фазе на его растворимость в жидком железе.

Приведенные данные показывают, что жидкое железо может поглощать значительное количество водорода даже при относительно невысоких парциальных давлениях его в газовой фазе. Особенно благоприятны условия для поглощения водорода сварочной ванной при дуговой сварке, когда наблюдается значительный перегрев жидкого металла и относительно высокая концентрация атомарного водорода в газовой фазе.

При газовой кислородно-ацетиленовой сварке, несмотря на значительную концентрацию водорода в газовой фазе, условия для растворения его в сварочной ванне не столь благоприятны вследствие относительно низкой температуры жидкого металла в ванне. В процессе спада температуры, в особенности в кристаллизующейся части сварочной ванны вследствие скачкообразного снижения растворимости водорода возникают предпосылки для его обратного выделении из металла. Температура прокалки электродов для дуговой сварки, а также относительная влажность атмосферы при их хранении, оказывает большое влияние на содержание водорода в металле шва изображены на Рис. 9 и 10.

Рис. 9 Влияние температуры прокалки электродов 48Н-1, 48Н-3 и УОНИ-13/45 (после нанесения покрытия) на содержание водорода в металле шва.

Рис. 10 Влияние условии и времени хранение электродов 48-Н 1 на содержание водорода в наплавленном металле. Кружки -- температура прокалки 380°С. выдержка 6 час., крестики -- 460^е С. выдержка 3 часа. Сплошные липни -- относительная влажность воздуха 85--95%, температура + 10°C, пунктирные линии -- относительная влажность воздуха 46--55 % и температура + (18--20)° С

3. Источники водорода в процессах сварки плавлением

В зону сварки плавлением водород поступает из различных источников в свободном виде и в виде разнообразных своих соединений и главным образом водяных паров.

В свободном виде водород поступает в зону плавления только из основного металла за счет термодиффузии из основного металла или металла изделия, в котором он находится в растворенном состоянии в том случае, если металлы не образуют гидридов, или в результате разложения гидридов таких металлов, как титан, цирконий, ниобий.

В виде соединений, а именно воды, водород может поступать из окружающей атмосферы -- воздуха различной степени влажности, плохо осушенных защитных газов и электродных покрытий или сварочных флюсов.

Пары воды подвергаются процессу диссоциации в области высоких температур, которые имеют место при сварке плавлением, или вступают в химические реакции с жидким металлом ванны или металлом, нагретым почти до температуры плавления.

Пары воды могут также реагировать с газообразными продуктами, получающимися при частичном испарении компонентов флюсов или электродных покрытий.

Обычно в зоне дугового разряда создаются необходимые концентрации веществ, переводящих водород в соединения более устойчивые, чем водяной пар, с тем, чтобы замедлить процесс растворения водорода в металле электродной проволоки или в металле сварочной ванны. Последнее особенно важно при сварке металлов и сплавов, являющихся особенно чувствительными к влиянию водорода.

Таким образом, все источники водорода в зоне сварки могут быть подразделены на две группы:

1)пары воды, поступающие при дегидратации окисных пленок на основном и электродном металле, а также при разложении гидратов, имеющихся в компонентах электродных покрытий и флюсов; кроме того, пары воды, поступающие при подсушивании влажных флюсов или электродных покрытий;

2)пары воды за счет влажности защитных газов или атмосферы.

Рассмотрим поступление в зону сварки водорода из воды, содержащейся в твердых металлах, поступающих в зону сварки. Такими твердыми материалами являются электродный металл и металл изделия, флюсы или электродные покрытия.

В процессе плавления и образования сварочной ванны, а впоследствии сварного шва эти материалы, нагреваясь до высокой температуры, теряют содержащуюся в них воду в виде водяных паров. Если бы процесс шел достаточно медленно, то эти пары воды выделились бы раньше, чем начинался процесс плавления металла; существенного влияния на процесс сварки и качество сварного соединения они не оказывали. Но процесс сварки идет быстро, поэтому часть незакончившихся процессов дегидратации совершается в зоье сварки, обогащая атмосферу дугового разряда водородом за счет разложения поступающих в нес паров воды.

Всю воду, содержащуюся в твердых материалах, можно разделить на ряд видов, характеризуемых различной энергией связи с твердыми веществами, а следовательно, и условиями, необходимыми для ее удаления.

Вода свободная. Примером такой воды может служить капля воды на металле или тонкий слой воды на поверхности при попадании ее извне (дождь при сварке вне помещений, брызги воды, случайно попавшие на металл при уборке цеха), роса или иней, выпавшие при изменении температуры, когда холодный металл внесен в теплое помещение с определенной влажностью воздуха.

Такая вода практически не связана с металлом и удаляется в процессе нагревания до 100° С.

Вода адсорбционная или гигроскопическая. Вода адсорбционная обладает энергией связи с поверхностью твердого тела, но относительно малой. Примером такой воды может являться вода, адсорбированная стеклом, которое в первый момент нагревания как бы запотевает, если оно находилось в атмосфере влажного воздуха. Такая вода также очень легко удаляется, но в зону сварки она может уже внести значительное количество водяных паров.

Плавленые флюсы, полученные сплавлением полевого шпата, марганцевой руды, плавикового шпата и других окислов и представляющие собой стекловидный порошок определенной крупности (с развитой поверхностью), могут адсорбировать влагу из воздуха, особенно при переменной температуре.

Влажность стекловидных флюсов составляет 0,1--0,5%, для пемзовидных несколько выше за счет более сильно развитой поверхности. Если принять влажность флюса в этих пределах и рассчитать объем водорода, который может образоваться при разложении водяного пара, то получим, что на 1 кг флюса может образоваться 1,24--6,2 дм³ водорода, измеренного при нормальных условиях.

Поэтому сварочные флюсы этого типа, лежавшие некоторое время на воздухе, следует перед сваркой просушивать.

Вода кристаллизационная. Кристаллизационная вода входит в структуру кристаллов ряда химических соединений и для того, чтобы ее удалить, требуется значительная затрата энергии на разрушение и перестройку кристаллов (кристаллогидратов).

Вода конституционная. Вода этого типа входит в состав соединений, и для ее удаления требуется заграбить большое количество энергии, соответствующей энергиям химических реакций.

водород сварка металл

Список литературы

1. Петров Г.Л., Тумарев А.С. «Теория сварочных процессов» (с основами физической химии). Учебник для вузов. М.,"Высш. шк.", 1977-392с, ил.

2. Соколов Е.В. «Справочник по сварке» Т-1. М., «Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы», 1960-554с.

3. Багрянский К.В. «Теория сварочных процессов» К., «Высш. Школа», 1976-424 с.

4. Фролов В.В. «Поведение водорода при сварке плавлением» М.: Машиностроение, 1966. -- 151 с.

5. Деев Г.Ф., Пацкевич И.Р. «Дефекты сварных швов» Киев: Наук. думка, 1984. - 208 с., ил.

Размещено на Allbest.ru