Металлургические процессы при сварке – Осварке.Нет

Металлургические процессы при сварке — это процессы взаимодействия жидкого металла с газами и шлаками, которые происходят во время плавки электрода, при переходе капли жидкого металла по дуге, а также в самой ванне.

Рис. 1. Пример загрязнения в металле шва

Особенности сварочных металлургических процессов:

• высокая температура нагрева металла;
• небольшой объем сварочной ванны;
• активное взаимодействие расплавленного металла с окружающей средой и шлаками;
• кратковременность процесса.

Из за высокой температуры дуги и сварочной ванны происходит разложение (диссоциация) молекул кислорода, азота, водорода на атомы и ионы. В последствии чего газы в этом состоянии стают очень активными и вступают в химические соединения с металлом шва, ухудшая его пластичность.

Благодаря небольшому объему сварочной ванны, она быстро охлаждается. При этом создаются препятствия очистки металла от неметаллических включений и оксидов, которые не успели выйти на поверхность шва.

Активное взаимодействие расплавленного металла с окружающей средой и шлаками способствует дополнительному насыщению металла шва газами и шлаковыми включениями.

Кратковременность процесса сварки приводит к тому, что химические реакции между расплавленным металлом и шлаком не заканчиваются. Быстрая кристаллизация влияет на структуру и механические качества металла шва. Время от начала расплавления до застывания сварочной ванны составляет несколько секунд. За секунду металл охлаждается от 5 до 50 ℃.

Металл шва насищается вредными веществами из окружающего воздуха, влажности, ржавчины, масла, которые входят в состав сварочных материалов, разных химических соединений, которые в свою очередь создаются при взаимодействии расплавленного металла с сварочными материалами.

Способы предотвращения загрязнения металла шва:

• просушка сварочных материалов для удаления влажности, кислорода и водорода;
• удаление ржавчины, масла и влажности с поверхности сварочных деталей;
• создание газовой и шлаковой защиты дуги и сварочного металла;
• раскисление — изменение оксида железа на нерастворимые соединения с последующим удалением в шлак (раскислители вводят в сварочную ванну через электродную проволоку, покрытие, флюсы). Раскислителями являются марганец, кремний, титан, алюминий, углерод и другие элементы;
• рафинирование — удаление сульфидов, фосфидов, нитридов, водорода при помощи химических реакций и образования новых химических соединений, которые не растворяются в железе, а превращаются в шлак.

Легирование — это процесс, при котором в металл шва вводятся разные элементы (хром, титан, никель, вольфрам, марганец, ванадий, молибден и др.), предоставляя ему необходимые свойства (прочность, вязкость, стойкость к коррозии и др.). Эти элементы могут вводиться в состав электродной проволоки, присадочного металла, электродного покрытия или флюса. Во время сварки легированные элементы частично выгорают и не полностью переходят в шов. Это необходимо учитывать при выборе марки электрода, присадочной проволоки, флюса.

См. также

виды термического воздействия и особенности техпроцесса

Сваркой называется формирование неразъемного соединения деталей, при котором изменяются старые связи между атомами и образуются новые. Для обеспечения техпроцесса нужна энергия.

Соединение материалов может достигаться благодаря механическим усилиям. В результате происходит пластическое деформирование, называющееся сваркой давлением.

Сварочный процесс, который обеспечивается сильным нагреванием материалов, называют плавлением. Изменения металлов при высокотемпературной сварке подобны классическим металлургическим превращениям.

Плавление

Одним из основных металлургических процессов является плавление. Температура плавления – это показатель, при котором вещества переходят из твердого состояния в жидкое. В сварочных процессах температуры достигают 5-7 тысяч градусов.

В твердых материалах атомы расположены близко друг от друга. В металлах маленькая длина междуатомных связей приводит к обобществлению электронов.

Образующиеся группы подвижных электронов называются металлической связью. Она обуславливает все свойства металлов: высокие значения тепло- и электропроводности, пластичность, химическую активность.

Тепловые процессы при сварке приводят к отдалению друг от друга атомов на кромке соединяемых металлов, продвижению их в зону расплава, перемешиванию в ней. В результате металлургических процессов плавления в сварочной ванне образуется новый расплавленный материал, из которого после застывания получается шов.

Характер источника тепловой энергии определяет виды сварки. Чаще всего выполняется электродуговое, электрошлаковое, электроннолучевое, диффузное сваривание. При необходимости используют другие технологии термического воздействия.

Технологические особенности

Понятие о металлургических процессах, реализующихся при сварке, полностью формируется при рассмотрении всех физико-химических явлений, химических реакций в рабочей зоне.

Они подобны преобразованиям, проходящим на сталеплавильных комбинатах. Существует несколько технологических особенностей сварки, отличающих ее от металлургии:

• в небольшом пространстве взаимодействует сразу несколько фаз;
• в разных точках сварочной ванны значительно отличаются показатели температур. Для центральной части зоны характерен большой перегрев;
• расплавленная масса интенсивно движется, перемешивается, обновляется;
• место сплава быстро охлаждается, образуя новую твердую фазу.

В таких специфических условиях идет быстрое взаимодействие частиц расплава с молекулами окружающих газов, флюсов, присадок. Взаимодействие между плавящимся материалом и окружающей средой в зоне дуги разнообразны.

Одновременно протекают реакции окисления, раскисления (восстановления), легирования. В зоне шва могут поглощаться или выделяться газообразные продукты.

Часто реакции идут не до полного завершения. Все превращения сказываются на качестве шва. Чтобы обеспечить прочное соединение материалов, нужно регулировать процесс со знанием его металлургических особенностей.

Расщепление молекул

Расщепление молекул газов и других сложных веществ во время сварки часто называют диссоциацией. Это не совсем верно, но термин прижился.

При классической диссоциации образуются ионы. При распаде молекул в металлургических процессах сварки образуются только атомы или новые молекулярные вещества и атомы.

Так расщепление простых газов (водорода, кислорода, азота) приводит в каждой реакции к образованию атомов. Причем, первые два из приведенных газов расщепляются почти полностью.

Распад азота идет медленнее. Расщепление молекулы воды при разных температурах дает принципиально отличающиеся продукты. В одном случае образуется атомарный кислород, который инициирует реакции окисления. В других условиях выделяется атомарный водород – сильнейший восстановитель.

В состав покрытий электродов часто содержится фторид кальция, называемый плавиковым шпатом.

При его расщеплении образуется атомарный фтор. Его возможное влияние на сварку двояко. Атомы фтора могут понижать стабильность дуги, но при этом связывать атомарный водород, уменьшая, таким образом, восстановительное направление реакций.

Покрытия электродов часто содержат карбонаты, известные склонностью к термическому разложению с образованием углекислого газа.

При температуре сварочной зоны он разлагается с выделением атомов кислорода. Атомарный кислород внедряется в металлургический процесс, ухудшает качество расплавов.

Окислительные реакции

Окисление существенно влияет на качество сварного соединения. Реакция может стимулироваться кислородом среды, шлаками рабочей зоны, оксидами поверхностей деталей.

Из всех оксидов железа наихудшим образом на состояние шва влияет низший оксид. Он имеет небольшую температуру плавления, внедряется в расплав, затвердевает в нем первым при охлаждении.

Высшие оксиды всплывают вверх или остаются в виде шлаков, которые можно легко удалить. Ухудшают механические качества швов оксиды других элементов: кремния, углерода, марганца. Для обеспечения качественного металлургического процесса при сварке влияние окислителей нужно минимизировать.

Раскисление

Добиться полного отсутствия окислительных реакций в металлургических сварочных процессах очень сложно.

Для уменьшения влияния оксидов проводят восстановление металла из них, связывание кислорода с другими химическими элементами. Эта реакция называется раскислением.

Хороший результат наблюдается при образовании нерастворимых оксидов, которые легко переходят в шлак.

В качестве восстановителей в сварочных металлургических процессах чаще всего применяют кремний, титан, углерод, марганец, алюминий.

Восстанавливающие добавки вносят в рабочую зону посредством плавящихся электродов, флюсов, электродных покрытий. В результате взаимодействия с углеродом образуется газ, который в структуре шва сформирует поры. Если нужно получить плотный шов без пор, применяют другие восстановители.

При использовании в качестве раскислителей марганца, кремния свойства шва улучшаются. Эти добавки в металлургическом процессе выполняют одновременно легирующую функцию. Улучшать сварочное соединение можно кобальтом, никелем другими элементами легирования, которые хорошо растворяются в рабочей зоне.

Очистка и применение неплавящихся электродов

Негативно сказываются на прочности сварочного шва газообразные вещества водород и азот. Для уменьшения насыщения среды вредными газами в металлургических технологиях применяют специальные приемы, прежде всего очистка и прокаливание исходных материалов.

Особыми приемами рафинирования из рабочей зоны выводят серу, фосфор. Суть этой стадии металлургического процесса сводится к выведению серы и фосфора из сульфидов и фосфидов в состав шлаковых веществ.

При использовании тугоплавких электродных материалов количество химических компонентов в металлургическом процессе сварки значительно уменьшается.

Сварочную зону составляют только расплавы крайних частей деталей. Инертное газовое облако сводит на нет вероятность окислительных реакций. Шов образуется из атомов исходных материалов без инородных вкраплений.

При необходимости введения дополнительных компонентов в сварочную зону вводят присадочную проволоку. Хорошее сплавление возможно при использовании присадок из металлов, идентичных по составу материалу исходных деталей.

Электрошлаковая и плазменная технология

В электрошлаковой технологии дуга пронизывает сварочную ванну через расплавленный шлак, компоненты которого естественным образом участвуют в химических реакциях.

В первые мгновения металлургического процесса расплавляется флюс, через который затем проходит дуга и достигает расплавленный шлак. Система в данной технологии имеет много компонентов.

Для получения хорошего сварочного соединения нужно учитывать химические свойства каждого вещества, возможность их взаимодействия; направлять процесс в требуемое русло регулированием параметров.

Источником энергии, вызывающим расплавление в плазменной технологии, является ионизированный газ. Образование плазмы обеспечивается действием тока с большой плотностью через сдавленный газ.

Обычно используют инертные газообразные вещества, например аргон. Формируют шов электродами из вольфрама. Участие всех других веществ во время плазменной сварки исключается.

Металлургические процессы сваривания в плазме имеют специфику. Механизмы реакций существенно отличаются от изменения атомных связей при обычных взаимодействиях. Плазменная сварка используется для получения швов очень высокого качества.

Все виды сварки по сути происходящих технологических процессов являются разновидностью металлургических превращений. Понимание роли каждого химического компонента рабочей зоны, его влияния на результат, возможности взаимопревращений среды позволяет получить хорошее сварочное соединение.

Металлургические процессы при сварке — Cварочные работы

Металлургические процессы при сварке

Плавление металла. В процессе электродуговой сварки плавлением металл сварного соединения плавится под воздействием мощной электрической дуги, горящей между электродом и свариваемым изделием. Температура дуги колеблется в пределах 5000—8000 °С. Под действием мощного сосредоточенного источника тепла плавятся свариваемый (основной) и электродный (сварочный) металлы.

Металлургические процессы при дуговой сварке протекают совершенно в других условиях, чем при производстве стали. Это объясняется прежде всего небольшим объемом расплавленного металла, называемого сварочной ванной, и быстрым его затвердеванием. При ручной дуговой сварке объем расплавленного металла не превышает 8 см3 (длина сварочной ванны 20—30 мм, ширина 8—12 мм, глубина 2—3 мм), а время затвердевания — несколько секунд. Между тем при производстве стали объем расплавленного металла измеряется десятками и сотнями тонн, а время плавления и затвердевания — часами, хотя температура расплавленного металла ниже, чем в сварочной ванне. В результате быстрого затвердевания металла сварочной ванны химические реакции, протекающие в расплавленном металле, не успевают закончиться. Поэтому при сварке незащищенной дугой содержание кислорода в металле сварного соединения примерно в 15 раз больше, чем у мартеновской стали. А чем больше кислорода,’ тем ниже механические свойства металла.

Расплавленный металл электрода переходит в сварочную ванну в виде небольших капель. Металл капель подвергается в дуговом промежутке воздействию шлака покрытия электрода и газов окружающей среды. При ручной сварке электродами, имеющими покрытие, одновременно с основным и электродным металлами плавится и покрытие, в результате чего образуется расплавленный неметаллический слой шлака. Назначение шлака — улучшать свойства расплавленного металла. Шлак защищает металл капли и сварочной ванны от воздействия окружающего воздуха, раскисляет и легирует металл сварочной ванны, в шлаке растворяются вредные примеси. В ряде случаев шлак способствует устойчивому горению дуги.

В процессе плавления электродного покрытия наряду с образованием слоя расплавленного шлака выделяются газы, возникающие при сгорании газообразующих компонентов покрытия (целлюлоза, крахмал, древесная мука) и разложении молекул мела, мрамора. Реакции между газообразными веществами и жидким металлом протекают быстрее, чем при использовании шлаковой защиты, поэтому действие последней более интенсивно.

Меры, принимаемые для защиты металла сварочной ваны от воздействия окружающего воздуха, не всегда достигают цели. Поэтому содержание кислорода в наплавленном металле всегда бывает выше, чем в основном и электродном. Для снижения количества кислорода в наплавленном металле, а следовательно, для повышения механических свойств металла его раскисляют и удаляют образовавшиеся окислы из’ сварочной ванны. Раскисляют металл с помощью углерода, марган-да, кремния, алюминия (раскислители), которые вводят в электродную проволоку или электродные покрытия.

Для компенсирования выгорающих элементов, а также легирования основного металла с целью обеспечения равнопрочности и сближения химического состава наплавленного и основного металлов, легируют металл сварного шва. Легирование осуществляется хромом, молибденом, титаном, ванадием, вольфрамом и рядом других элементов, которые вводятся в состав электродного покрытия или основного металла.

Кристаллизация металла сварного соединения. Сварное соединение образуется из металла сварного шва (расплавленный основной и электродный металл) и участков основного металла, прилегающих к сварному шву (рис. 1). При ручной сварке покрытыми электродами металл шва в среднем состоит из 30—50% основного и 70—50% электродного металла.

Рис. 1. Структура околошовной зоны сварного соединения и схема участков
1 — неполного расплавления; 2 — перегрева; 3 — нормализации; 4— неполной перекристаллизации; 5 — рекристаллизации

При остывании металла сварочной ванны происходит его первичная и затем вторичная кристаллизация. Образование зерен при переходе металла из расплавленного в твердое состояние называется первичной кри-сталлизацией,- При изменении температуры в затвердевшем металле меняется форма зерен. Этот процесс называется вторичной кристаллизацией (перекристаллизацией). При вторичной кристаллизации стремятся к измельчению зерна, что улучшает механические свойства стали. Легирование металла шва через покрытие электродов, а также надежная защита металла сварочной ванны способствуют получению достаточно чистого, без’ включений, металла шва необходимого химического состава с требуемыми свойствами.

Структура металла шва в некоторой степени зависит от формы шва. В узких швах, имеющих коэффициент формы шва (отношение ширины шва к глубине провара) меньше единицы, последние участки жидкого металла располагаются в центре сечения шва (рис. 2,о), поэтому в этом месте возможны скопления шлаков, газов и других нежелательных включений. У швов с коэффициентом формы шва больше единицы (рис. 2,6) последние участки жидкого металла находятся в середине поверхности шва, поэтому все вредные включения свободно удаляются.

Выделяющееся при сварке тепло уходит в основном в свариваемый металл через околошовные участки, называемые зоной термического влияния. От обычной термической обработки нагрев и охлаждение металла сварного соединения в зоне термического влияния отличается кратковременностью теплового воздействия и нагревом до высоких температур. Нагрев и охлаждение металла околошовной зоны оказывают серьезное влияние на его свойства, вызывая различные структурные изменения. Свойства сварного соединения определяются свойствами металла шва и металла зоны термического влияния. Зона термического влияния при сварке покрытыми электродами составляет около 6 мм (участки: перегрева — 2,2 мм, нормализации—1,6 мм, неполной перекристаллизации — 2,2 мм). Сварные соединения разрушаются главным образом в зоне термического влияния вследствие потери основным металлом пластических свойств.

Рис. 2. Форма шва
а — узкого с коэффициентом формы шва меньше 1; б — коэффициентом формы шва больше 1

Дефекты структуры металла сварных соединений. К этим дефектам относятся шлаковые включения, трещины, поры.

При ручной сварке покрытыми электродами шлаковые включения образуются в результате задержки частиц кварца и корунда, присутствующих в некоторых исходных компонентах покрытий. В металле шва встречаются сернистые включения, нитриды — химические соединения азота с различными металлами. Повышение содержания азота резко снижает пластические свойства металла шва.

В большинстве случаев неметаллические включения имеют высокую температуру плавления, небольшую прочность, способствуют коррозии металла, так как отличаются от него по химическому составу.

Для предупреждения появления шлака в наплавленном металле в состав электродных покрытий вводят вещества, дающие возможность _ понизить температуру плавления окислов и образующие легко удаляемые из металла соединения. Кроме того, удаляют загрязнения, ржавчину и окалину в месте сварки на основном металле, шлак при многослойной сварке после наплавки каждого валика; замедляют остывание основного металла, применяя соответствующий режим сварки, толстый слой шлака или другие приемы.

Качество сварного соединения во многом зависит от технологических приемов сварки, в результате которых должно быть получено сплошное соединение. Сплошность сварного соединения является одним из основных признаков качества сварки. Нарушение сплошности проявляется обычно в виде трещин и пористости.

Трещины условно делятся на горячие и холодные.

Увеличению вероятности появления горячих трещин способствуют сера, углерод, кремний, водород.

Большую роль в образовании холодных трещин играют фосфор, водород, молекулы которых скопляются в пустотах структуры металла. Предупредить появление трещин можно предварительным подогревом свариваемых элементов и использованием оптимальных режимов сварки.

В процессе расплавления металла из него выделяются газы, которые, оставаясь в затвердевшем металле, делают его пористым, а поры способствуют разрушению сварного соединения, так как служат концентраторами напряжений. Кроме того, оставшиеся в металле газы уменьшают его пластичность, повышая твердость и хрупкость. Поры имеют шарообразную и вытянутую формы.

Основными причинами появления пор являются: влага, присутствующая в электродах и присадочной проволоке; ржавчина, окалина на свариваемых кромках; интенсивное выделение газов при затвердевании металла, наличие в стали в большом количестве водорода.

Читать далее:
Сварочные флюсы
Сварочные электроды
Общие сведения о сварке арматуры
Противопожарные мероприятия при сварке
Безопасность труда при сварке технологических трубопроводов
Безопасность труда при сварке строительных металлических и железобетонных конструкций
Защита от поражения электрическим током при сварке
Техника безопасности и производственная санитария при сварке
Управление качеством сварки
Статистический метод контроля

Металлургические процессы при сварке | Сварочные работы

В процессе сварки плавлением металл сварного соединения плавится под действием мощного концентрированного источника тепла (сварочной дуги или газового пламени).

Металлургические процессы в сварочной ванне протекают в условиях, значительно отличающихся от условий, протекающих при выплавке стали. Это объясняется малым объемом расплавленного металла и быстротой происходящих в нем явлений.

При дуговой сварке стали объем расплавленного металла обычно колеблется в пределах от 4 до 60 см³, а время затвердевания этого объема обычно не превышает несколько секунд, поскольку теплоотдача в окружающий сварочную ванну металл чрезвычайно велика.

В результате быстрого затвердевания металла сварочной ванны химические реакции, протекающие в расплавленном металле, не успевают закончиться. Для ускорения и облегчения протекания реакций в сварочной ванне, а также для создания условий вывода на ее поверхность растворенных в металле газов и шлаков применяются сварочные флюсы и разнообразные компоненты в составе покрытия сварочных электродов. При плавлении флюса или покрытия электродов на поверхности сварочной ванны образуется слой шлака, назначение которого, кроме снижения скорости охлаждения поверхности ванны, защищать перегретый металл сварочной ванны от воздействия окружающего воздуха. В сварочном шлаке растворяется большинство вредных примесей.

Кроме шлака в процессе горения дуги и плавления металла и покрытия электродов образуется большее количество различных газов, которые кроме газовой защиты сварочной ванны участвуют в металлургических процессах, так как химические реакции между жидким металлом и газообразными веществами протекают быстрее, чем с твердыми и жидкими компонентами сварочного шлака.

Однако часто меры, принимаемые для защиты металла сварочной ванны от воздействия окружающего воздуха, не обеспечивают полной изоляции расплавленного металла от кислорода, а его излишнее содержание ведет к снижению механических свойств металла шва.

Для снижения количества кислорода в наплавленном металле, а следовательно, для повышения механических свойств сварного соединения металл сварочной ванны раскисляют с помощью углерода, марганца, кремния и других компонентов, которые специально вводят в состав сварочной проволоки и покрытия электродов.

Для компенсации выгорающих при сварке элементов, а также для легирования металла с целью обеспечения равнопрочности и сближения химического состава основного и наплавленного металла последний за счет добавок в проволоку или покрытие легируют хромом, молибденом, титаном, ванадием, вольфрамом и другими элементами.

Сварочная ванна образуется из расплавленного основного и электродного металла. При остывании металла сварочной ванны происходит его первичная и вслед за ней вторичная кристаллизация.

Кристаллизация — это образование кристаллов металла из жидкого расплава. При изменении температуры в затвердевшем металле кристаллы теряют свою первоначальную форму, превращаясь в зерна. Этот процесс называется вторичной кристаллизацией (перекристаллизацией).

В узких швах, имеющих коэффициент формы шва (отношение ширины шва к глубине провара) меньше единицы, последние участки жидкого металла располагаются в центре сечения шва, поэтому в этом месте возможны скопления шлаков, газов и других нежелательных включений.

У швов с коэффициентом формы шва больше единицы последние участки жидкого металла находятся в середине поверхности шва, а все вредные включения сосредоточиваются в вершине шва и свободно удаляются со шлаковой коркой.

Выделяющееся при сварке тепло уходит в свариваемый металл через околошовные участки, называемые зоной термического влияния. От обычной термической обработки нагрев и охлаждение металла сварного соединения в зоне термического влияния отличается мощностью и кратковременностью теплового воздействия, вызывающего различные структурные изменения в околошовной зоне.

Свойства сварного соединения определяются свойствами металла шва и зоны термического влияния. Разрушения сварного соединения чаще всего происходят по этой зоне, где металл неоднороден и зачастую потерял пластичность.

I. Размеры зон теплового влияния при сварке

Способ сварки	Величина зоны (см. рис. 8), см
	2	3	4	5	6	7
Газовая сварка	2,5	2	4	2	5	14
Сварка под флюсом	0,9	1,2	1,7	0,8	0,7	8
Полуавтоматическая сварка в среде защитных газов	0,5	1,0	1,3	0,6	0,3	5
Сварка под флюсом с ППМ	0,4	1	1,2	0,6	0,5	6
Аргонодуговая сварка	0,3	2,5	2,7	1,8	0,8	4,5
Ручная электродуговая сварка	0,4	2,2	1,6	2,2	1,2	4,2

Размеры зон теплового влияния, участков перегрева, нормализации и частичного изменения структуры показаны в табл. 1 и на рис. 8.

Рис. 8. Схема изменений структуры стали в зове термического влияния
а — участок диаграммы железоуглеродистых сплавов; б — зоны термического влияния для малоуглеродистой стали: 1 — участок расплавленного в процессе сварки металла; 2 — участок неполного расплавления: 3 — участок перегретого металла: 4 — участок нормализации; 5 — участок неполной перекристаллизации; 6 — участок рекристаллизации; 7 — участок синеломкости; 8 — участок, не подверженный тепловому воздействию при сварке

Глава 8 Металлургические процессы при проведении сварочных работ. Сварка

Взаимодействие металла с газами

Одним из сварочных процессов является взаимодействие металла с газами. Под воздействием теплоты электрической дуги происходит расплавление кромок свариваемого изделия, электродного (или присадочного) металла, покрытия или флюса. При этом образуется сварочная ванна расплавленного металла, покрытая слоем расплавленного шлака. При сварке происходит взаимодействие расплавленного металла со шлаком, а также с выделяющимися газами и воздухом. Это взаимодействие начинается с момента образования капель металла электрода и продолжается до полного охлаждения наплавленного металла шва.

Металлургические процессы, протекающие при сварке, определяются такими показателями:

1) высокой температурой;

2) небольшим объемом ванны расплавляемого металла;

3) большими скоростями нагрева и охлаждения металла;

4) отводом теплоты в окружающий ванну основной металл;

5) интенсивным взаимодействием расплавляемого металла с газами и шлаками в зоне дуги.

Высокая температура сварочной дуги вызывает также диссоциацию (распад) молекул кислорода и азота в атомарное состояние. Обладая большой химической активностью, эти газы интенсивнее взаимодействуют с расплавленным металлом шва.

В зоне дуги происходит распад молекул паров воды с диссоциацией молекул водорода, атомарный водород активно насыщает металл шва. Высокая температура способствует выгоранию примесей и тем самым изменяет химический состав свариваемого металла, Не большой объем ванны расплавленного металла (при ручной сварке он составляет 0,5–1,5 см³, при автоматической сварке – 24–300 см³) и интенсивный отвод теплоты в металл, окружающий ванну, не дают возможности полностью завершиться всем реакциям взаимодействия между жидким металлом, газами и расплавленным шлаком. Большие скорости нагрева и охлаждения значительно ускоряют процесс кристаллизации, приводят к образованию закалочных структур, трещин и других дефектов. Структурные изменения в металле околошовной зоны происходят под действием теплоты. Они приводят к ослаблению сварного шва. На расплавленный металл существенное воздействие оказывают газовая среда и расплавленный шлак. Кислород поступает в зону сварки из воздуха и электродного покрытия. Кислород, взаимодействуя с расплавленным металлом, в первую очередь окисляет железо, так как его концентрация в стали наибольшая. Находясь в зоне дуги как в молекулярном, так и в атомарном состоянии, кислород образует с железом три оксида: FeO (22,3 %), Fe₂О₃ и Fe₃O₃. В процессе окисления железа участвуют также находящиеся в зоне дуги углекислый газ и пары воды.

Из соединений железа с кислородом наибольшее влияние на свойства стали оказывает оксид железа FеО, так как только он растворяется в железе. Растворимость оксида железа в стали зависит главным образом от содержания углерода и температуры металла. Растворимость оксида железа снижается с увеличением содержания углерода в стали. При высокой температуре стали растворимость оксида железа выше, чем при низкой температуре. Поэтому при охлаждении стали происходит выпадение из раствора оксида железа FeO. При высоких скоростях охлаждения часть оксида железа остается в растворе, образуя шлаковые прослойки между зернами металла. Окисление примесей, содержащихся в стали, происходит либо непосредственно в дуге, либо при взаимодействии с оксидом железа, растворенного в сварочной ванне металла.

Значительное сродство углерода, марганца и кремния с кислородом приводит к сильному уменьшению содержания этих примесей в расплавленном металле шва. Таким образом, кислород находится в стали преимущественно в виде оксидных включений железа, марганца и кремния. В кипящей низкоуглеродистой стали СтЗ кислорода 0,001–0,002 %, в спокойной стали – 0,03–0,08 %. В металле шва при сварке незащищенной дугой содержание кислорода достигает 0,3 %, при сварке защищенной дугой – до 0,05 %.

Азот в зону сварки проникает из окружающего воздуха. В зоне дуги азот находится как в молекулярном, так и в атомарном состоянии. Диссоциированный азот более активно растворяется в расплавленном металле сварочной ванны, чем молекулярный. Растворимость азота зависит от температуры металла шва. При охлаждении металла азот, выделяясь из раствора, взаимодействует с металлом шва и образует нитриды железа (Fе₂N, Fе₄N), марганца (MnN) и кремния (SiN). При больших скоростях охлаждения азот не успевает полностью выделиться и составляет с металлом перенасыщенный твердый раствор. Со временем такой азот является причиной процесса старения металла.

В низкоуглеродистой стали азота содержится до 0,006 %, в металле шва при сварке незащищенной дугой содержание азота достигает 0,02 %, а при сварке защищенной дугой – до 0,03 %. Азот является вредной примесью стали, так как, повышая прочность и твердость, он вместе с этим значительно снижает пластичность и вязкость металла. Устраняют влияние азота на качество сварного шва хорошей защитой зоны дуги от атмосферного воздуха. Кроме того, применяют сварочные материалы, содержащие алюминий, титан и другие элементы, которые образуют нитриды, выходящие в шлак или менее, чем азот, снижающие качество шва.

Водород в зоне сварки образуется во время диссоциации водяных паров при высоких температурах дуги. Пары воды попадают в зону дуги из влаги электродного покрытия или флюса, ржавчины и окружающего воздуха. Молекулярный водород распадается на атомарный, который хорошо растворяется в расплавленном металле.

Растворимость водорода в железе в значительной степени зависит от температуры металла. При температуре 2400 °C насыщение достигает максимального значения (43 см³ водорода на 100 г металла). При высоких скоростях охлаждения металла водород переходит из атомарного состояния в молекулярное, но полностью выделиться из металла не успевает. Это вызывает пористость и мелкие трещины. Снижение влияния водорода на качество сварного шва достигается сушкой и прокалкой материалов сварки, очисткой от ржавчины и защитой зоны дуги. Для получения сварного шва высокого качества необходимо принять меры по защите расплавленного металла сварочной ванны главным образом от воздействия кислорода, азота и водорода.

Защита сварочной ванны осуществляется созданием вокруг дуги газовой оболочки и шлакового слоя над ванной расплавленного металла. Однако эти меры полностью не предохраняют от насыщения металла кислородом, поэтому необходимо производить как раскисление металла, так и удаление образовавшихся оксидов из сварочной ванны.

Раскисление жидкого металла сварочной ванны производят, вводя него элементы, имеющие большое сродство к кислороду: алюминий, титан, кремний, углерод, марганец. Эти элементы вводят в сварочную ванну либо через электродную проволоку (присадочный металл), либо через электродное покрытие или флюсы.

Алюминий в качестве раскислителя применяется редко, так как он образует тугоплавкие оксиды и придает стали склонность к образованию трещин.

Титан является активным раскислителем и поэтому широко применяется в различных электродных покрытиях. Раскисление протекает по реакции:

Кроме того, титан образует нитриды, снижая содержание азота в металле.

Кремний очень хороший раскислитель и применяется в электродных покрытиях и флюсах в виде ферросилиция или кварцевого песка. Раскисление кремнием происходит по реакции:

Кроме того, протекает реакция образования силикатов:

Полученные оксиды и силикат оксида железа выходят в шлак.

Углерод образует с кислородом газообразный оксид углерода, который в стали не растворяется, а выделяется в виде пузырьков. При больших скоростях охлаждения оксид углерода не успевает выделиться из металла шва, образуя в нем газовые поры. Раскисление протекает по реакции:

Для предупреждения пористости металла шва рекомендуется вводить в сварочную ванну кремний в таком количестве, чтобы подавить раскисляющее действие углерода.

Марганец является наиболее распространенным активным раскислителем. Он входит во многие электродные покрытия и флюсы. Раскисление происходит по реакции:

Оксид марганца, взаимодействуя с оксидом кремния, образует не растворяющийся в стали силикат оксида марганца:

МпО + SiO₂ = MnO ? SiO₂

Марганец также способствует удалению серы из стали:

Сернистый марганец не растворяется в стали и выходит в шлак.

Для восстановления первичного химического состава металла, а в некоторых случаях и для улучшения механических свойств шва производят легирование наплавляемого металла. Цель легирования – восполнить выгорание основных примесей стали и ввести в металл шва элементы, придающие стали специальные качества. Легирующие элементы – кремний, марганец, хром, молибден, вольфрам, титан и др. – используют через электродное покрытие, в виде ферросплавов и электродного металла.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Читать книгу целиком

Поделитесь на страничке

Металлургические процессы при сварке

Металлургические процессы при сварке — Cварочные работы

Плавление металла. В процессе электродуговой сварки плавлением металл сварного соединения плавится под воздействием мощной электрической дуги, горящей между электродом и свариваемым изделием. Температура дуги колеблется в пределах 5000—8000 °С. Под действием мощного сосредоточенного источника тепла плавятся свариваемый (основной) и электродный (сварочный) металлы. Металлургические процессы при дуговой сварке протекают совершенно в других условиях, чем при производстве стали. Это объясняется прежде всего небольшим объемом расплавленного металла, называемого сварочной ванной, и быстрым его затвердеванием. При ручной дуговой сварке объем расплавленного металла не превышает 8 см3 (длина сварочной ванны 20—30 мм, ширина 8—12 мм, глубина 2—3 мм), а время затвердевания — несколько секунд. Между тем при производстве стали объем расплавленного металла измеряется десятками и сотнями тонн, а время плавления и затвердевания — часами, хотя температура расплавленного металла ниже, чем в сварочной ванне. В результате быстрого затвердевания металла сварочной ванны химические реакции, протекающие в расплавленном металле, не успевают закончиться. Поэтому при сварке незащищенной дугой содержание кислорода в металле сварного соединения примерно в 15 раз больше, чем у мартеновской стали. А чем больше кислорода,’ тем ниже механические свойства металла. Расплавленный металл электрода переходит в сварочную ванну в виде небольших капель. Металл капель подвергается в дуговом промежутке воздействию шлака покрытия электрода и газов окружающей среды. При ручной сварке электродами, имеющими покрытие, одновременно с основным и электродным металлами плавится и покрытие, в результате чего образуется расплавленный неметаллический слой шлака. Назначение шлака — улучшать свойства расплавленного металла. Шлак защищает металл капли и сварочной ванны от воздействия окружающего воздуха, раскисляет и легирует металл сварочной ванны, в шлаке растворяются вредные примеси. В ряде случаев шлак способствует устойчивому горению дуги. В процессе плавления электродного покрытия наряду с образованием слоя расплавленного шлака выделяются газы, возникающие при сгорании газообразующих компонентов покрытия (целлюлоза, крахмал, древесная мука) и разложении молекул мела, мрамора. Реакции между газообразными веществами и жидким металлом протекают быстрее, чем при использовании шлаковой защиты, поэтому действие последней более интенсивно. Меры, принимаемые для защиты металла сварочной ваны от воздействия окружающего воздуха, не всегда достигают цели. Поэтому содержание кислорода в наплавленном металле всегда бывает выше, чем в основном и электродном. Для снижения количества кислорода в наплавленном металле, а следовательно, для повышения механических свойств металла его раскисляют и удаляют образовавшиеся окислы из’ сварочной ванны. Раскисляют металл с помощью углерода, марган-да, кремния, алюминия (раскислители), которые вводят в электродную проволоку или электродные покрытия. Для компенсирования выгорающих элементов, а также легирования основного металла с целью обеспечения равнопрочности и сближения химического состава наплавленного и основного металлов, легируют металл сварного шва. Легирование осуществляется хромом, молибденом, титаном, ванадием, вольфрамом и рядом других элементов, которые вводятся в состав электродного покрытия или основного металла. Кристаллизация металла сварного соединения. Сварное соединение образуется из металла сварного шва (расплавленный основной и электродный металл) и участков основного металла, прилегающих к сварному шву (рис. 1). При ручной сварке покрытыми электродами металл шва в среднем состоит из 30—50% основного и 70—50% электродного металла. Рис. 1. Структура околошовной зоны сварного соединения и схема участков 1 — неполного расплавления; 2 — перегрева; 3 — нормализации; 4— неполной перекристаллизации; 5 — рекристаллизации При остывании металла сварочной ванны происходит его первичная и затем вторичная кристаллизация. Образование зерен при переходе металла из расплавленного в твердое состояние называется первичной кри-сталлизацией,- При изменении температуры в затвердевшем металле меняется форма зерен. Этот процесс называется вторичной кристаллизацией (перекристаллизацией). При вторичной кристаллизации стремятся к измельчению зерна, что улучшает механические свойства стали. Легирование металла шва через покрытие электродов, а также надежная защита металла сварочной ванны способствуют получению достаточно чистого, без’ включений, металла шва необходимого химического состава с требуемыми свойствами. Структура металла шва в некоторой степени зависит от формы шва. В узких швах, имеющих коэффициент формы шва (отношение ширины шва к глубине провара) меньше единицы, последние участки жидкого металла располагаются в центре сечения шва (рис. 2,о), поэтому в этом месте возможны скопления шлаков, газов и других нежелательных включений. У швов с коэффициентом формы шва больше единицы (рис. 2,6) последние участки жидкого металла находятся в середине поверхности шва, поэтому все вредные включения свободно удаляются. Выделяющееся при сварке тепло уходит в основном в свариваемый металл через околошовные участки, называемые зоной термического влияния. От обычной термической обработки нагрев и охлаждение металла сварного соединения в зоне термического влияния отличается кратковременностью теплового воздействия и нагревом до высоких температур. Нагрев и охлаждение металла околошовной зоны оказывают серьезное влияние на его свойства, вызывая различные структурные изменения. Свойства сварного соединения определяются свойствами металла шва и металла зоны термического влияния. Зона термического влияния при сварке покрытыми электродами составляет около 6 мм (участки: перегрева — 2,2 мм, нормализации—1,6 мм, неполной перекристаллизации — 2,2 мм). Сварные соединения разрушаются главным образом в зоне термического влияния вследствие потери основным металлом пластических свойств. Рис. 2. Форма шва а — узкого с коэффициентом формы шва меньше 1; б — коэффициентом формы шва больше 1 Дефекты структуры металла сварных соединений. К этим дефектам относятся шлаковые включения, трещины, поры. При ручной сварке покрытыми электродами шлаковые включения образуются в результате задержки частиц кварца и корунда, присутствующих в некоторых исходных компонентах покрытий. В металле шва встречаются сернистые включения, нитриды — химические соединения азота с различными металлами. Повышение содержания азота резко снижает пластические свойства металла шва. В большинстве случаев неметаллические включения имеют высокую температуру плавления, небольшую прочность, способствуют коррозии металла, так как отличаются от него по химическому составу. Для предупреждения появления шлака в наплавленном металле в состав электродных покрытий вводят вещества, дающие возможность _ понизить температуру плавления окислов и образующие легко удаляемые из металла соединения. Кроме того, удаляют загрязнения, ржавчину и окалину в месте сварки на основном металле, шлак при многослойной сварке после наплавки каждого валика; замедляют остывание основного металла, применяя соответствующий режим сварки, толстый слой шлака или другие приемы. Качество сварного соединения во многом зависит от технологических приемов сварки, в результате которых должно быть получено сплошное соединение. Сплошность сварного соединения является одним из основных признаков качества сварки. Нарушение сплошности проявляется обычно в виде трещин и пористости. Трещины условно делятся на горячие и холодные. Увеличению вероятности появления горячих трещин способствуют сера, углерод, кремний, водород. Большую роль в образовании холодных трещин играют фосфор, водород, молекулы которых скопляются в пустотах структуры металла. Предупредить появление трещин можно предварительным подогревом свариваемых элементов и использованием оптимальных режимов сварки. В процессе расплавления металла из него выделяются газы, которые, оставаясь в затвердевшем металле, делают его пористым, а поры способствуют разр

Металлургические процессы при дуговой сварке плавлением

сварщик

Особенности металлургии сварки. Применение при сварке мощных высококонцентрированных и высокотемпературных ис­точников теплоты приводит к местному расплавлению основного и присадочного металлов и образованию сварочной ванны. На­грев основного и присадочного металлов до расплавления, их последующее охлаждение и затвердевание сопровождаются Фазо Выми переходами в веществе. При сварке плавлением имеет ме­сто взаимодействие между жидким и твердым металлами, газом и жидким шлаком.

Высокая температура нагрева расплавленного металла, ма­лый объем сварочной ванны и ее перемешивание, значительная скорость процесса, интенсивный отвод теплоты в околошовную зону и окружающую атмосферу, быстрая кристаллизация сва­рочной ванны усложняют получение сварного шва с заданными физико-механическими свойствами, которые предопределяются химическим составом металла шва и его структурой.

Химический состав металла шва и его свойства зависят от состава и доли участия в формировании шва основного и приса­дочного металлов, покрытия и флюсов, степени защиты от возду­ха, приемов ведения и режимов сварки. Металл шва образуется в результате перемешивания в сварочной ванне основного и при­садочного металлов и реакций взаимодействия нагретого метал­ла с газами атмосферы и защитной средой.

Одной из серьезных задач при сварке плавлением является зашита сварочной ванны ст вредного воздействия воздуха І Предотвращение попадания в металл шва вредных веществ (вла­ги, ржавчины, минеральных масел и других загрязнений) Высо­кая температура источника нагрева и объекта теплового воздей­ствия значительно ускоряет физико-химические процессы в зоне сварки. Кислород, азот и водород переходят в атомарное состояНиє и более интенсивно взаимодействуют с расплавленным ме­таллом Кислород является наиболее вредной примесью, и его повышенное содержание в сварном шве приводит к понижению прочности, пластичности, вязкости и антикоррозионных свойств

Последнего.

С железом кислород образует три вида оксидов: FeO, ЇїегОз И РезС>4. Наиболее отрицательное воздействие оказывает FeO, Который хорошо растворяется в расплавленном металле шва, по­вышая его порог хладноломкости — температуру, при которой металл теряет пластичность. Для швов с повышенным содержа­нием FeO Этот порог составляет —(10…15) °С.

Азот, попадающий в зону сварки главным образом из возду­ха, растворяется в большинстве конструкционных материалов и со многими элементами образует называемые нитридами соеди­нения, снижающие пластичность и повышающие твердость ме­талла шва.

На степень насыщения металла шва азотом оказывают влия­ние режимы сварки и охлаждения. С увеличением силы тока и дугового промежутка содержание азота уменьшается. Медленное охлаждение шва способствует удалению из него газообразного азота.

Водород поступает в зону сварки из атмосферной влаги, а также из влаги, содержащейся в покрытиях электродов, флю­сах, ржавчине на кромках заготовок; он растворяется в боль­шинстве металлов. Железо, никель, кобальт, медь и некоторые другие металлы не вступают в соединение с водородом, а титан, ванадий, тантал, ниобий и другие образуют с ним химические соединения — гидриды.

Атомарный водород, растворяясь в жидком металле, может оставаться в этом состоянии до тех пор, пока температура дости­гает —200 °С. В интервале температур 200…20 °С водород пере­ходит из атомарного состояния в молекулярное, вызывая при этом значительные внутренние напряжения и, как следствие, образование флокенов — трещин, представляющих собой в изло­ме светлые скруглые пятна, напоминающие хлопья снега. Гидри­ды и флокены снижают прочность, вязкость и пластичность шва.

Для защиты сварочной ванны от вредного воздействия воз­духа используют флюсы, покрытые электроды, порошковую про­волоку При их расплавлении образуется шлак, который, расте­каясь по поверхности металла, играет роль защитного слоя.

Сера попадает в сварочную ванну из флюсов либо из основ­ного или электродного металла; соединяясь с железом, она обра­зует сульфид железа FeS. Соединение последнего с железом при кристаллизации сварочной ванны приводит к возникновению эвтектики (FeS—Fe) С температурой плавления 988 °С Обладая малой растворимостью в жидкой стали, эвтектика группируется в колонии, располагающиеся между зернами и проходящие цикл кристаллизации значительно позже основного металла шва. П( д воздействием внутренних напряжений происходит образование горячих трещин.

Попадающий в сварочную ванну из флюсов или диффундиру­ющий из основного металла фосфор, растворяясь в зернах фер­рита, подобно оксиду железа FeO, Резко повышает температуру перехода в хрупкое состояние — вызывает хладноломкость стали.

Для уменьшения содержания в шве водорода пользуются рядом практических приемов: электроды и флюсы перед сваркой тщательно прокаливают; кромки свариваемых заготовок и сва­рочную проволоку очищают от влаги, грязи и ржавчины; швы выполняют за минимальное число проходов, так как при наложе­нии последующего шва предыдущий шов в момент вторичного расплавления насыщается водородом; при выполнении сварочны операций на открытой площадке обеспечивают защиту зоны сварки от атмосферных осадков; сварку ответственных конструк­ций выполняют только при положительных температурах.

Раскисление, рафинирование и легирование сварочной ванны

Зашита сварочной ванны шлаками не обеспечивает полного пре дохранения металла от насыщения кислородом и образования оксидов. Раскисление металла сварочной ванны произво­дят с целью удаления из нее химическим путем главным образом оксида железа FeO Осуществляют операцию с помощью марган­ца, кремния, титана либо алюминия, которые специально вводят в состав флюсов или покрытий электродов. Раскислителями яв ляются и чистые металлы, и ферросплавы. В результате раскис ления образуются соединения (MnO, Si02, ТЮ2, А1203), нерас творимые в расплавленном металле шва и переходящие в шлак

FeO + Мп ->■ Fe —F— MnO 2FeO—F Si 2Fe —F— Si02 2FeO + Ті -* 2Fe + Ti02 3FeO + 2A1 3Fe —F A1203 Операцию по удалению сульфитов, фосфидов, нитридов и во­дорода, осуществляемую также химическим путем, называю-‘ рафинированием. Для уменьшения в шве количества серь в покрытия и флюсы вводят марганец и известь СаО, образую шие прочные практически нерастворимые в жидком металле сульфиты, полностью переходящие в шлак:

FeS — Мп — Fe — MnS FeS -f СаО -> FeO — CaS, FeO — r Mn -> Fe + MnO

Фосфор присутствует в стали в виде фосфидов железа Fe3P И Fe2P, Удаляемых при раскислении:

2Fe3P + 5FeO 1 IFe + Р205 2Fe2P + 5FeO 9Fe + P205 Неметаллические включения удаляют из металла шва флюса­ми-растворителями, специально вводимыми в состав флюсов, по­крытий электродов и сердечников порошковой проволоки. Про­дукты их взаимодействия с включениями образуют легкоплавкую механическую смесь, имеющую невысокую плотность. Наиболее часто в качестве флюса-растворителя используют плавиковый шпат CaF2, Который одновременно позволяет уменьшить содер­жание атомарных азота и водорода, растворенных в металле сварочной ванны.

Атомарный фтор, выделяющийся из фтористого кальция CaF2, При высокой температуре вступает в химическую реакцию с атомарным азотом или водородом, образуя фто­ристый азот (фтористый водород), переходящий из металла в шлак или атмосферу.

Рис. 3.3. Схема кристаллизации ме­талла в сварочной ванне:

Легированием Называется введение спе­циальных, так называе­мых легирующих элемен­тов в основной металл с целью получения заданных служебных свойств последнего. При легировании металла сварочной ванны в элек­тродный или присадоч­ный металл вводят хром, никель, ванадий, молибден, вольфрам, титан, бор и др.

/ — неметаллические шлаковые частицы, 2 — зона сплавления, 3 — зона термичес­кого влияния, 4 — столбчатые кристаллы шва

Кристаллизация металла при сварке. Различают первичную и вторичную кристаллизации. Переход металла сварочной ванны из жидкого состояния в твердое называется первичной кри­сталлизацией. Первичная кристаллизация металла свароч­ной ванны начинается от частично оплавленных зерен основного или ранее наплавленного металла и продолжается по нормали от линии расплавления (рис. 3.3)

Вторичная кристаллизация происходит после за­вершения первичной и характеризуется сменой кристаллических решеток (полиморфные превращения) и изменением структуры.

Вторичная кристаллизация характерна только для металлов, ис­пытывающих полиморфные превращения (железо, кобальт, титан, марганец и др.). Решающее влияние на характер протекания п >. диморфных превращений оказывает скорость охлаждения. Чем тоньше слой шлакового покрытия и ниже температура окружаю­щей среды, тем выше скорость охлаждения и вероятность обр. зования внутренних напряжений и трещин.

Строение сварного соединения.

Соединение, выполняем’Є Сваркой плавлением, состоит из четырех зон: наплавленного талла; сплавления; термического влияния; основного метал а (рис. 3.4).

Рис. 3.4. Схема строения сварного соединения при дуговой сваг Ке стали: А — зона наплавленного металла Б — зона сплавления. В — зона терм 1 ческого влияния, Г — зона основного металла

Зона наплавленного металла представляет Собої Перемешанный в жидком состоянии с основным металлом мате риал электрод г. или присадочной проволоки.

Зона сплавления — это слой основного металла тог шиной О, К..0,4 мм с частично оплавленными зернами. Перегре металла в этой зоне приводит к образованию игольчатой струк­туры отличающейся хрупкостью и пониженной прочностью, и оказывает значительное влияние на свойства соединения в целом.

Зона термического влияния состоит из четырех участков (1…4), различающихся структурой. Участок перегрева /—область основного металла, нагретого до 1100. ..1450 °С и имеющего крупнозернистую структуру с площадью поверхности зерна, до 12 раз превышающую площадь исходных зерен. Пере­грев снижает механические свойства металла, главным образом пластичность и вязкость. Разрушение сварного соединения обыч но происходит по этому участку, ширина которого достигает 3…4 мм.

Участок нормализации 2—область основного металла, на­гретого до 900… 1100 °С. Благодаря мелкозернистой структуре механические свойства металла на этом участке выше по сравне­нию с основным металлом. Ширина участка составляет 1…4 мм

Участок неполной перекристаллизации 3 — область основно­го металла, нагретого до 725…900 ЭС; состоит из мелких и круп­ных зерен. Неравномерное кристаллическое строение приводит к снижению механических свойств

Участок рекристаллизации 4 — область основного металла, нагретого до 450…725 °С. При этих температурах происходит вос­становление формы зерен, деформированных в результате пре­дыдущего механического воздействия (при прокатке, штамповке и др.). Ширина зоны термического влияния зависит от удельной энергии е3, введенной в заготовку, и вида сварки (например, при ручной дуговой сварке качественными электродами она состав­ляет 5…7 мм).

Зона основного металла условно начинается от границы с температурой 450 °С. Структура при температурах ниже 450 °С не отличается от структуры исходного металла, од­нако сталь, нагретая до температур 200…400 °С, обладает худши­ми механическими свойствами, что объясняется выпадением по границам зерен оксидов и нитридов, ослабляющим связь между зернами. Это явление, вызывающее понижение пластичности и ударной вязкости при одновременном повышении прочности ме­талла, называется синеломкостью (характерны синие цвета по­бежалости) .

Свариваемость металлов и сплавов.

Под свариваемо­стью понимают способность материалов образовывать соедине­ния, механические и другие эксплуатационные свойства которых находятся на уровне основного материала. Свариваемость может быть оценена конкретными количественными характеристиками. В зависимости от назначения и условий эксплуатации конструк­ции определяют: склонность к образованию горячих и холодных трещин в металле шва и зоне термического влияния; склонность к образованию пор; механические свойства; коррозионную стой — кость; структуру; химический состав и другие свойства. Свари­ваемость определяется не только свойствами материала — она зависит от способа и режима сварки, состава сварочных мате­риалов, конструктивного оформления сварного узла, условий эксплуатации изделия. Различают физическую, технологическ ю и эксплуатационную свариваемость.

Физическая свариваемость определяется процессами, проис­ходящими на границе соприкосновения свариваемых заготовок при различных физико-химических методах соединения металлов (физический контакт, химическое взаимодействие, рекристалли­зация и др.).

Под технологической свариваемостью понимают возмож­ность получения сварного соединения определенным способом сварки. Технологическая свариваемость влияет на выбор пара­метров режима сварки и технологическую последовательность выполнения работ.

Под эксплуатационной свариваемостью понимают условия допустимого применения материалов в сварных конструкциях сварных изделиях.

Трещины в сварных соединениях.

В зависимости от темпера туры, при которой они образуются, трещины условно подразде ляют на горячие и холодные. Горячие трещины в сталях возни­кают при температуре, превышающей 1000 °С, а холодные — при более низкой. Трещины являются самым серьезным дефектом сварного соединения, как правило, не подлежащим устранению

Горячие трещины — это хрупкие межкристаллические разрушения металла шва и околошовной зоны, возникающие в твердо-жидком состоянии в процессе кристаллизации, а такж^ при высоких температурах в твердом состоянии. По современным представлениям горячие трещины вызываются действием дву факторов: наличием жидких прослоек между зернами в процессе кристаллизации и деформациями укорочения. При кристаллиз; ции жидкий металл шва последовательно переходит в жидк-. твердое, твердо-жидкое и твердое состояния.

В интервале температур плавления и полного затвердевани происходит миграция примесей и загрязнений в межзеренны пространства. Наличие между зернами жидкой фазы, примесе и загрязнений снижает деформационную способность шва и ок лошовной зоны. Неравномерность линейной и объемной усадо шва и основного металла при охлаждении приводит к возникно­вению внутренних напряжений, являющихся причиной появление микро- и макроскопических трещин как вдоль, так и поперек шва (рис. 3.5).

Причинами образования горячих трещин при сварке являют­ся следующие: большое количество вредных примесей (особенно серы и фосфора) в металле свариваемых заготовок; наличие в

Рис. 3.5. Топография горячих трещин в сварных соединениях: Л 2 — продольные в зоне термического вли­яния и шве, 3 — поперечные в зоне термиче­ского влияния

Металле шва элементов, образующих химические соединения с низкой температурой затвердевания (хром, молибден, ванадий, вольфрам, титан), нарушающие связь между зернами; жесткое закрепление свариваемых заготовок или повышенная жесткость самого сварного узла, затрудняющие перемещение заготовок при остывании.

Холодные трещины — это локальные меж — или транс­кристаллические разрушения сварных соединений, образующиеся в металле при остывании до относительно невысоких температур (как правило, ниже 200 ЭС) или

NPTEL :: Металлургия и материаловедение

9000 9000 9000 9000 9000 Зерновая структура не доступна Micro Продукты в сварных изделиях 43 PDF 94104 9000 9000 и трещины повторного нагрева Стали Загрузка PDF для Stack недоступен

1	Введение в металлургию сварки	PDF недоступен
2	Обзор сварочных процессов	PDF недоступен
	PDF недоступен
4	Фазовая диаграмма системы Iron Carbon	PDF недоступен
5	Фазовая диаграмма цветных металлов и сплавов	PDF недоступен
				PDF недоступен
7	Диаграммы преобразования температуры и времени	PDF недоступен
8	Диаграммы преобразования непрерывного охлаждения	PDF недоступны
9 9000ivalent	Carbon5 доступен
10	Решение проблем на фазовых диаграммах	PDF недоступен
11	Введение в механизм упрочнения в металлах	PDF недоступен
12	Улучшение твердого раствора	PDF недоступно
13	Осадочное упрочнение и мартенситное упрочнение	PDF недоступно
14	Деформационное упрочнение и деформационное старение	PDF недоступно
15 Механизм упрочнения металлов	15 недоступен
16	Введение в процессы термообработки при сварке	PDF недоступен
17	Упрочнение и закаливаемость	PDF недоступен
18	Marteming d Austempering	PDF недоступен
19	Корпус Методы закалки	PDF недоступен
20	Термическая обработка цветных металлов и сплавов	PDF недоступен	9000 Сварка	PDF недоступен
22	Тепловой поток при сварке	PDF недоступен
23	Распределение температуры при сварке	PDF недоступно
24 9000 Параметры сварки
25	Металлургическое влияние теплового потока на сварку	PDF недоступен
26	Принципы затвердевания при сварке	PDF недоступен
27 Распространение твердого тела	e
28	Конституционное переохлаждение	PDF недоступен
29	Микросегрегация и бандажирование	PDF недоступен
30	9000 9000	Зерновая структура в процессе сварки	Отчетливые зоны в образце, полученном сваркой плавлением	PDF недоступен
32	Зона теплового воздействия	PDF недоступен
33	Свойства зоны теплового воздействия 04
PDF недоступен
35	Введение в предварительный нагрев и термообработку после сварки	PDF недоступен
36	Предварительный нагрев и термообработка после сварки различных материалов	PDF 5
37	Остаточные напряжения при сварке	PDF недоступен
38	Причины развития остаточных напряжений при сварке	PDF недоступен
39	Измерение остаточных напряжений	PDF
40	Контроль остаточных напряжений в сварных деталях	PDF недоступен
41	Введение в сварочную деформацию	PDF недоступен
42 05		Угловые деформации в сварных швах	PDF недоступен
44	Изгиб, коробление и скручивание сварных швов	PDF недоступен
45	Контроль деформаций в сварных швах		9000 46	Введение в трещины в сварных швах	PDF недоступен
47	Типы трещин сварных швов	PDF недоступен
48	Трещины в конкретных сварных швах
PDF недоступен
50	Пластинчатые трещины и коррозионное растрескивание под напряжением	PDF недоступен
51	Введение в свариваемость металлов
PDF недоступен
53	Свариваемость легированных сталей	PDF недоступен
54	Свариваемость чугуна	PDF недоступен
Свариваемость цветных сплавов			PDF недоступен
56	Введение в сварочные дефекты	PDF недоступен
57	Дефекты поверхностной и подповерхностной сварки	PDF недоступен
58
59	Соображения по усталостным нагрузкам при сварке	PDF недоступен
60	Конструктивные особенности для усталостных и статических нагрузок при сварке	PDF недоступны

.

Физическое моделирование металлургических процессов

[1] J. Pieprzyca, Z. Kudliński, Matematyczne i fizyczne modelowanie zjawisk w processorach technologicznych, in: F. Grosman, C. Sajdak (Eds.), Monografia Wydziału Inżynierii Materiałowej i Metalurgii, стр.21-35.

[2] К. Михалек, К. Гриц, З. Худзекчек, Я. Моравка, Я.Pieprzyca, Hutnik-Wiadomości Hutnicze, 2 (2010) 43-47.

[3] Дж.Пиепшица, Т. Мердер, М. Сатернус, Х. Каниа, Изменение системы управления потоком жидкой стали в промежуточном разливочном устройстве — исследования моделирования, Архивы металлургии и материалов. 4 (2014) 1443-1450.

DOI: 10.2478 / amm-2014-0244

[4] Т.Мердер, Дж. Пипшица, Оптимизация работы двухниточного промышленного разливочного устройства с использованием ингибиторов турбулентности: физическое и численное моделирование, Steel Research International, 10 (2012) 1029-1038.

DOI: 10.1002 / srin.201200059

[5] С.Y. Wen, L.T. Вентилятор, Модели проточных систем и химических реакций, Деккер, Нью-Йорк (1975).

[6] Дж.Пиепжица, Т. Мердер, Дж. Йоуса, Метод определения постоянных времени, характеризующих интенсивность перемешивания стали в промежуточном разливочном устройстве для непрерывной разливки, Архив металлургии и материалов, 1 (2015) 245-249.

DOI: 10.1515 / amm-2015-0039

[7] О.Левеншпиль, Разработка химических реакций, John Wiley & Sons, Нью-Йорк, (1999).

[8] Э.Б. Науман, Б.А. Баффем, Смешивание в системе непрерывного потока, John Wiley & Sons, Нью-Йорк, (1983).

[9] К.Р. Вестертерп, W.P.M. Swaaij, A.A.C.M. Бинакерс, Проектирование и эксплуатация химических реакторов, John Wiley & Sons, Нью-Йорк, (1984).

[10] М.Варжеча, Дж. Джоуза, Т. Мердер, Смешивание газов и химическая гомогенизация стали в печи-ковше емкостью 100 т, Металлургия, 4 (2007) 227-232.

[11] Т.Мердер, Влияние расхода литья на явления течения стали в промежуточном разливочном устройстве, Металлургия, 2 (2013) 161-164.

[12] М.Saternus, T. Merder, J. Pieprzyca, Физическое моделирование удаления водорода из жидкого алюминия, проведенное в реакторе URC-7000, Металлургия, 2 (2014) 205-208.

[13] А.Милек, Я. Пепшица, А. Богдал, М. Олава, М. Варжеча, Hutnik-Wiadomości Hutnicze, 10 (2013) 682-687.

[14] Дж.Пиепжица, Т. Мердер, М. Сатернус, Физическое моделирование процесса смешения жидкого металла в ковше, продуваемом газом, Физическое моделирование, Металлургия, 3 (2014) 327-330.

[15] П.Sojda, M. Warzecha, J. Pieprzyca, B. Jędrysiak, J. Sygit, Hutnik-Wiadomości Hutnicze, 5 (2015) 343-345.

[16] К.Marcinek, J. Pieprzyca, Hutnik-Wiadomości Hutnicze, 2 (2016), статья в печати.

[17] М.Saternus, Rafinacja aluminium i jego stopów przez przedmuchiwanie argonem, Wyd. Pol. Śl., Гливице, (2011).

[18] Т.А. Энг, Принципы рафинирования металлов, Oxford University Press, Оксфорд (1992).

[19] М.Сатернус, Т. Мердер, Численное и физическое моделирование процесса рафинирования алюминия в реакторе УРО-200, Явления твердого тела, 191 (2012) 3-12.

DOI: 10.4028 / www.scientific.net / ssp.191.3

.

Металлургическая копия | Полевой инжиниринг

Металлургическая репликация — это метод неразрушающего контроля, который помогает устранить дорогостоящие отказы оборудования.

Квалифицированные специалисты Acuren тестируют компоненты на месте, чтобы оценить характеристики поверхности и убедиться в надежности вашего оборудования. Это более эффективно, чем физическое удаление материала для лабораторных исследований.

Репликация — это критически важный метод оценки работающего оборудования почти во всех отраслях промышленности, поскольку некоторые механизмы повреждения зависят от времени.

Получив от нашей команды оценку микроструктуры с металлургическим воспроизведением, мы можем обнаружить критические дефекты или деградацию оборудования до того, как произойдут катастрофические отказы.

Металлургическая репликация выполняется во всех отраслях промышленности, включая:

Что делает металлургическая репликация?

Металлургическая репликация — важный инструмент, используемый инженерами Acuren для помощи при расследовании пожаров, судебно-медицинской экспертизе и исследованиях по оценке жизненного цикла.

Различная информация может быть получена путем металлургического воспроизведения, в том числе:

• Определить семейство / тип материалов (чугуны, аустенитная нержавеющая сталь, углеродистая сталь)
• Обнаружить наличие высокотемпературной деструкции и других происходящих микроструктурных изменений в результате воздействия окружающей среды в котлах, сосудах высокого давления, трубопроводах и других компонентах
• Определите наличие и стадию повреждения из-за ползучести, наблюдая общие металлургические особенности, включая: сферодизацию, образование изолированных и ориентированных полостей, микротрещин и макротрещин
• Анализируйте на наличие наличие и тип термической обработки в изготовленных материалах и термической обработки после сварки в сварных компонентах
• Оценка и категоризация признаков поверхности (пористость, шлак, расслоения, трещины, швы)
• При исследовании пожара, повторения в сочетании с полевыми испытаниями твердости и дополнительные проверки могут определить предел поврежденных компонентов, которые необходимо заменить

Зачем использовать Acuren для репликации?

Высококвалифицированные специалисты по репликации

Выполнение репликации металла — это искусство, и в Acuren это выполняется только высококвалифицированными специалистами.

Инженеры и инспекторы Acuren могут определить места на вашем оборудовании, где репликация была бы наиболее выгодной.

Быстрые, надежные результаты и полный анализ услуг

Технические специалисты предоставляют услуги быстрого копирования, чтобы помочь обеспечить надежность компонентов наших клиентов и помочь устранить дорогостоящие сбои и простои.

Acuren обеспечивает быстрое выполнение работ и способно выполнить необходимые производственные и производственные графики заказчика.При необходимости Acuren может предоставить последующие услуги по разработке материалов или испытанию материалов и лабораторные услуги для подтверждения результатов репликации.

Металлургический процесс репликации

Acuren следует инструкциям ASTM A1351 и ASTM E407 в нашей подробной процедуре подготовки металлических поверхностей и выполнения процесса репликации. Полевая металлографическая репликация включает следующие общие этапы:

1. Отшлифовать и отполировать поверхность исследуемой детали
2. Протравить металлическую поверхность раствором, подходящим для данного материала
3. Поместить специализированную ленту для репликации из ацетата на интересующую область
4. Удалите ленту и подготовьте ленту.
5. Инженерное исследование / интерпретация реплики на оптическом микроскопе

Подготовка поверхности имеет решающее значение для процесса репликации, чтобы гарантировать, что на поверхности нет окалины, грязи, мусора и других посторонних материалов.Поверхность отполирована до необходимой степени, чтобы гарантировать разрешение микроструктурных особенностей.

Инженерная интерпретация окончательной копии может быть выполнена на оптическом микроскопе в полевых условиях или в лаборатории. В некоторых случаях поверхность детали можно исследовать после травления непосредственно на установленном в поле микроскопе.

.