Как влияют окислы в сварном шве на свойства сварного соединения ответ
В процессе сварки расплавленный металл в сварочной ванне взаимодействует с газами, содержащимися в пламени горелки или в воздухе. В результате этого взаимодействия может происходить испарение, окисление (соединение с кислородом) и выгорание компонентов (элементов) металлического сплава, раскисление расплавленного металла, насыщение металла углеродом или водородом и другие явления.
Испарение металлов. Во время сварки металлы нагреваются до температуры, которая может быть равна или близка к температуре их кипения, что вызывает1 их интенсивное испарение. Особенно легко испаряются цинк, магний и свинец. Испарение металлов в сварочных сплавах (особенно медно-цинковых, алюминиево-магниевых, железо-марганцевых и других) может привести к значительному снижению концентрации отдельных компонентов, что в свою очередь повлечет за собой значительное изменение свойств металла.
Окисление металла во время сварки. Металл окисляется в основном газами пламени горелки или проникновением кислорода из окружающего воздуха. На поверхности свариваемого металла или присадочной проволоки может наблюдаться некоторое окисление расплавленных оксидов металла (окалина, ржавчина).
Растворяясь в стали, кислород соединяется не только с железом, но и с примесями, увеличивая общее содержание кислорода в стали. Присутствие кислорода в стали (в виде оксидов или в чистом виде) снижает механические свойства металла.
В процессе окисления содержание определенных элементов в металле уменьшается по мере их сгорания. Когда сталь сваривается, углерод, кремний и марганец сгорают. Обжиг этих элементов изменит свойства стали. Например, при обжиге углерода образуется монооксид углерода, который, выходя из ванны, вызывает кипение и увеличивает разбрызгивание металла в сварочной ванне, и сварной шов получается пористым с пониженными механическими свойствами.
Раскисление металлов. Когда несколько гетерогенных оксидов сосуществуют в жидком металле, между ними могут происходить химические реакции, в результате которых образуются соединения с температурой плавления ниже, чем у исходных оксидов.
Эта особенность облегчает удаление оксидов из металла, так как образующиеся соединения, имеющие низкую температуру плавления, всегда находятся в жидком состоянии и легко удаляются из ванны расплава.
При сварке многих металлов необходимо использовать флюсы, содержащие компоненты, способствующие образованию таких легкоплавких соединений.
Таким образом, под раскислением подразумевается удаление кислорода из металла в виде различных оксидов.
Процессы раскисления и окисления происходят одновременно и взаимосвязаны. Например, восстановление оксидов железа-стали в условиях сварки происходит преимущественно с участием углерода, кремния и, в небольшой степени, марганца, т.е. эти три элемента окисляются за счет кислорода оксидов железа. Возможность протекания этих реакций зависит от температуры и процентного содержания элементов.
Наличие в стали легирующих примесей (кремний, марганец, хром, титан и т.д.), которые легче окисляются, уменьшает окисление углерода, так как восстановление оксидов железа происходит в основном за счет окисления этих примесей.
Раскисление сварочной ванны может в определенной степени осуществляться углеродом, монооксидом углерода или водородом, имеющимися в пламени горелки. В этом случае пламя не только уменьшает количество оксидов, но и не дает кислороду окислять расплавленный металл и насыщать воздух азотом, растворение которого приводит к хрупкому сварному шву. Следует помнить, что ацетилено-кислородное пламя является слабым восстановителем, так как газы пламени действуют в основном только на поверхности сварочной ванны. Поэтому правильно рассматривать газовую смесь сварочного пламени по отношению к расплавленному железу не как раскислитель, восстанавливающий оксиды железа, а как защитную среду, препятствующую доступу кислорода в сварочную ванну и замедляющую окисление металла. Это особенно заметно при сварке высокоуглеродистых и высоколегированных сталей, а также при сварке меди, латуни, бронзы и алюминиевых сплавов, которые недостаточно раскислены одним пламенем. В таких случаях требуются флюсы, которые способствуют удалению оксидов из металла.
Таким образом, для полного раскисления металла путем восстановления оксидов, растворенных в ванне, требуются более сильные раскислители. Такими раскислителями могут быть, в частности, кремний и марганец. Эти элементы могут быть введены путем использования специальных легированных сварочных проволок или нанесения специальных покрытий на низкоуглеродистую сварочную проволоку.
Отдельные примеси, имеющиеся в проволоке, по-разному влияют на процесс сварки: одни примеси улучшают механические свойства сварного шва, другие вызывают интенсивное образование газов или вязкого и тугоплавкого шлака в сварочной ванне, что приводит к пористости шва и загрязнению неметаллическими включениями.
Давайте рассмотрим, как различные элементы присадочной проволоки влияют на процесс сварки.
Углерод в высоком содержании затрудняет сварку, вызывая значительное газообразование в ванне и кипение в процессе сварки, способствует нежелательному росту зерна металла шва и снижает его пластичные свойства. Нормальное содержание углерода в сварочных прутках из низкоуглеродистой стали должно составлять 0,06-0,18%. В сварочных прутках из серого чугуна количество углерода доведено до 3,5-4%, что необходимо для структуры сварного шва серого чугуна.
Марганец является хорошим раскислителем до 1% в низкоуглеродистой проволоке. Более высокое содержание марганца приводит к нежелательному шлакообразованию в сварном шве. Если присадочная проволока имеет высокое содержание углерода в дополнение к высокому содержанию марганца, сварной шов может иметь тенденцию к затвердеванию. В железных присадочных прутках содержание марганца ограничивается 0,5-0,6% как элемента, способствующего отбеливанию железа.
Кремний является раскислителем при сварке стали. При его высоком содержании на поверхности ванны образуется тугоплавкий и вязкий шлак, который препятствует выходу газов из сварочной ванны во время затвердевания. Металл шва пористый и загрязнен шлаком. Поэтому в низкоуглеродистой проволоке содержание кремния ограничено 0,03%.
При раскислении и легировании осаждаемого металла более благоприятные результаты достигаются при использовании проволоки, содержащей марганец и кремний в необходимых количествах.
Сера делает сварные швы хрупкими и способствует образованию пористости и трещин в сварных швах. Поэтому содержание серы в проволоке допускается не более 0,03-0,04%. В чугуне сера также является вредной примесью, поскольку она придает преломление и способствует образованию пор в металле шва. Содержание серы в чугунных прутках ограничено 0,08%.
Почему при сварке шлак оказывается по середине шва, а металл по краям?
Фосфор вызывает холодное охрупчивание стали и сильно снижает ее пластичность. Содержание фосфора в присадочном прутке не должно превышать 0,03-0,04%. В чугунных слитках содержание фосфора достигает 0,5-0,8%, так как он способствует текучести чугуна и хорошему заполнению режущих кромок чугунных изделий расплавленным металлом.
Помимо этих элементов, проволока может содержать хром, никель и молибден. Их содержание в проволоке благоприятно влияет на качество сварки. Они способствуют раскислению металла шва, пополняют запасы элементов горения и улучшают химический состав металла шва.
При сварке меди для раскисления сварочной ванны используется медная проволока с низким содержанием фосфора, который является раскислителем оксида меди.
Водород, имеющийся в пламени при избытке ацетилена, растворяется в металле и ухудшает его свойства. Например, при сварке меди растворение водорода приводит к появлению пор и микротрещин. Аналогичные явления наблюдаются при растворении водорода в стали.
Растворение серы и фосфора в сварном шве может происходить при высоком содержании их соединений в пламени горелки. При увеличении содержания серы могут возникать горячие трещины, поэтому при сварке металлов, чувствительных к таким примесям (например, никеля), следует использовать только хорошо очищенный ацетилен.
