Влияние вредных примесей на качество сварного шва

Сера создает возможность образования горячих или кристаллизационных трещин в металле шва. Ее содержание в металле и сварочных материаловвседа следует жестко лимитировать. Это достигается при введение в сварочную ванну марганца. Общее снижение серы в металле при сварке возможно при сильно основных шлаках. Бескислородные фторидные флюсы способствуют удалению серы из металла в результате образования летучих фторидов металла и твердых сульфидов.Сера хорошо удаляется при электрошлаковой сварке и переплаве металлов.

Фосфоряв-ся вредной примесью в метлах,снижающих их пластичность.Так при кристаллизации стали фософор образует ряд соединений с железом,отличающихся своей хрупкостью,кристаллы которых могут стать зародышами холодных трещин. Содержание фософра в металле шва при дуговой сварке понизить практически нельзя,т.к. он удаляется в окислительных шлаках,а сварочные шлаки-восстановительные.Концентрация фософра в шве значительно снижается при эл.шлакофой сварке

Кислородвредная примесь в металле при сварке,снижающая пластические свойсва в металле,поэтому при всех видах сварки предусматрвается процесс раскисления металла шва до допустимой нормы.

При кристаллизации металла сварочной ванны азот образует-нитриды различной степени устойчивости.Нитриды железа Ау4ТбАу2Т образуют хрупкие игольчатые кристаллы,разрушение которых приводит к зарождению холодных трещин.Из промышленных металлов только медь не дает устойчивых нитридов и поэтому можно сваривать в атмосфере азота.

Водород является вредной примесью которая вызывает водородную хрупкость.

Источники водорода при сварке металлов:

1)водород поглощенный металлом из атмосферы дугового заряда(вызывает возникновение пор и трещин)

2)Водород,растворенный в основном металл

Защита сварочной ванны от воздействия окружающей среды

Для предохранения металла сварочной ванны от воздействия воздуха создают газовую защиту, которая оттесняет воздух от расплавленного металла. В результате снижается возможность растворения кислорода и азота воздуха в жидком металле.

Защитные газы образуются при сгорании компонентов покрытия электродов (при ручной дуговой сварке) и флюсов (при сварке под флюсом).

При сварке в среде защитных газов зону сварки защищают от воздуха аргоном, гелием, углекислым газом, смесью газов и др.

Защита сварочной ванны от воздействия окружающей среды:

• шлаковая;

• газовая;

• газошлаковая;

• вакуумная (применяется при сварке конструкций из титана, молибдена, ванадия и других химически активных и тугоплавких металлов)

Шлаковая защита при дуговой сварке образуется за счет расплавления
флюсов, электродных покрытий и сердечников порошковой проволоки. Наиболее надежна шлаковая защита при сварке под флюсом. Образование капель при плавлении электрода и их перенос происходит в объеме газового пузыря, заполненного парами металла и флюса. Взаимодействие с атмосферными газами практически исключается.
Менее надежна шлаковая защита при сварке покрытыми электродами и порошковой проволокой. Капли электродного металла проходят через открытый дуговой промежуток и взаимодействуют с атмосферой. Наличие на каплях шлаковой пленки не всегда предохраняет их от этого взаимодействия. При сварке наряду со шлаковой защитой должна создаваться и газовая защита. В электродные покрытия и сердечники порошковой проволоки в соответствии с этим вводят шлакообразующие и газообразующие компоненты.

Шлаковая защита.

Шлаковая защита сварочной ванны реализуется при автоматической сварке под слоем флюса. Электрическая дуга, перемещаемая вдоль сварного шва, поддерживается в замкнутом пространстве расплавленного флюса, при этом газы дуговой атмосферы (пары металла и компонентов флюса) поддерживают давление внутри полости флюса выше, чем давление окружающей атмосферы. В результате плавления флюса и металла на поверхности сварного шва образуется шлак.

Шлаками называются сложные вещества (в основном окислы металлов) получающиеся в результате плавления металла и флюса. Шлаки представляют собой жидкие при высокой температуре вещества, отделяющие зеркало металла от действия воздуха. Шлаки не изолируют металл от окружающей газовой среды, а только заменяют непосредственное взаимодействие газов с металлом диффузионным.

По типу взаимодействуя с металлической ванной шлаки разделяются на окислительные и восстановительные.

При сварке используют плавленые, гранулированные, керамические флюсы.

Наибольшее применение получили плавленые флюсы. Плавленые флюсы по своему составу и назначению делятся на алюмосиликатные и фторидные.

Алюмосиликатные флюсы предназначены для сварки сталей. Фторидные для сварки титана и других цветных металлов.

Флюсы разделяются по физическим свойствам:

- по структуре зерна на стекловидные и пемзовидные;

- по характеру изменения вязкости на длинные и короткие;

- по характеру взаимодействия с металлом на активные и пассивные.

Основными компонентами флюсов являются : окись кремния Si O₂, окись марганца Mn O и фторид кальция Ca F₂.

В восстановительной зоне сварочной ванны происходят реакции, приводящие к легированию и одновременно к окислению металла сварочной ванны компонентами флюса:

Fe + (MnO) → [Mn] + (FeO).

2 Fe + (SiO) → [Si] + 2 (FeO)

Круглые скобки указывают, что вещество находится во флюсе, шлаке.

Квадратные скобки указывают, что вещество находится в сварном шве.

В этой же зоне происходит окисление углерода стали по уравнению:

[FeO] + (C) → [Fe] + (CO);

и восстановление кремния марганцем:

2[Mn] + (SiO₂) → [Si] + 2(MnO).

Обогащённый кремнием и марганцем металл попадает в низкотемпературную зону сварки и при понижении температуры эти компоненты начинают раскислять (восстанавливать) металл :

[Mn] + [FeO] → [Fe] + (MnO),

[Si] + 2 [FeO] → 2[Fe] + (SiO₂)

Керамические флюсы дополнительно содержат ферросплавы и свободные металлы для дополнительного легирования и раскисления металла. Высокая раскислительная способность керамических флюсов позволяют вести сварку металла по окисленным кромкам (ржавчине) свариваемых изделий.

Газовая защита

В настоящее время этот процесс сварки получил очень широкое применение при изготовлении конструкций низкоуглеро-дистых, низколегированных, среднелегиро-ванных и высоколегированных сталей при высоком качестве сварных соединений. В последние годы разработаны способы газовой защиты с применением различных газовых смесей (Аг+Не, Аг+О2, Аr+СО2, СO2+О2 и др.), что расширяет сварочно-технологические и металлургические возможности данного метода сварки.

Из инертных газов наиболее широко применяется аргон, так как он значительно дешевле, чем гелий, а также обладает лучшими защитными свойствами.

Иногда аргонно-дуговую сварку применяют для упрочненных средне- или высоколегированных сталей.

Аустенитные коррозионно-стойкие и жаропрочные стали (12Х18Н10Т и т. д.) хорошо свариваются в среде аргона как плавящимся, так и неплавящимся электродами.

Сварку в среде углекислого газа осуществляют с помощью сварочной головки, перемещающей сварочный инструмент и подающей в зону сварки электродную проволоку. С помощью сопла создаётся поток углекислого газа, омывающий зону дугового разряда и оттесняющий из зоны сварки воздушную атмосферу. Сварка может вестись в автоматическом или механизированном режиме.

При механизированной сварке инструмент (горелка, головка) перемещается рукой сварщика, а электродная проволока подается по гибкому шлангу с помощью отдельно установленного механизма.

Плотность углекислого газа составляет 1,96 кг/м3, поэтому он хорошо оттесняет воздух, плотность которого 1,29 кг/м3. Поставляется углекислый газ в баллонах в жидком состоянии.

Для сварки применяют газ с пониженным содержанием вредных примесей – кислорода, азота, оксида углерода, влаги. Качество сварных швов зависит не только от чистоты СО2, но и от его расхода и характера истечения из сопла под небольшим давлением, обеспечивающим спокойный (ламинарный) характер истечения.

При сварке в струе углекислого газа металл поглощает водород в меньших количествах, чем при других видах сварки.

Металл, наплавленный при сварке в струе СО2 чище по шлаковым включениям, и поэтому его пластические свойства несколько выше, чем при сварке под слоем флюса.

Перегретый водяной пар является самой дешевой защитной средой, но в настоящее время не применяется, так как при этом методе металл поглощает большое количество водорода. При поглощении водорода металл резко ухудшает свои пластические свойства, но они восстанавливаются после термической обработки или при «вылеживании», так как дифузионно-подвижный водород покидает металл с течением времени.

Газошлаковая защита

Газошлаковая защита используется при ручной дуговой сварке толстопокрытыми или качественными электродами.

Благодаря разработке покрытий, плавящихся вместе с металлом электрода, удалось резко повысить качество наплавленного металла и сварного соединения в целом, что обеспечило применение ручной дуговой сварки во всех отраслях промышленности и строительстве, и разработать широкий ассортимент электродов для сварки сталей различного типа и многих сплавов.

Состав покрытия электродов определяется рядом функций, которые он должен выполнять:

защита зоны сварки от кислорода и азота воздуха;

раскисление металла сварочной ванны;

легирование ее нужными компонентами;

стабилизация дугового разряда

Электродные покрытия состоят из целого ряда компонентов, которые условно можно разделить на:

ионизирующие,

шлакообразующие,

газообразующие,

раскислители,

легирующие,

вяжущие.

Некоторые компоненты могут выполнять несколько функций одновременно, например мел, который, разлагаясь, выделяет много газа (СО2), оксид кальция идет на образование шлака, а пары кальция имеют низкий потенциал ионизации и стабилизируют дуговой разряд.

Электрический дуговой разряд возникает при касании изделия и горит между электродом и сварочной ванной.

Электродный стержень плавится быстрее, чем покрытие и на торце электрода образуется углубление (втулка) которая направляет поток газов и капли металла в сварочную ванну.

Капли металла проходят через дуговой промежуток уже закрытые тонким слоем шлака. Капля активно взаимодействует со шлаком и газами дугового промежутка и, попадая в ванну, освобождается от шлака, который всплывает и оттесняется давлением дуги.

Плавящийся на торце электрода металл растворяет в себе раскислители, имеющиеся в покрытии. В кристаллизующемся металле ванны идет интенсивная диффузия между основным металлом и металлом электрода, но концентрация может значительно меняться

Важный показатель качества металла сварных швов – образование газов и состав неметаллических включений в покрытии, влияющих на прочностные свойства сварных соединений.

Состав металла шва образуется из основного металла, электродной проволоки и покрытия.