Металлургические процессы при сварке (стр. 2 из 3). Металлургические процессы при сварке
Металлургические процессы при сварке
ВВЕДЕНИЕ .
Сварочная металлургия отличается от других металлургических процессов высокими температурами термического цикла и малым временем существования сварочной ванны в жидком состоянии , т. е. в состоянии , доступном для металлургической обработки металла сварного шва . Кроме того ,специфичны процессы кристаллизации сварочной ванны , начинающиеся от границы сплавления , и образования изменённого по своим свойствам металла зоны термического влияния.
В своей работе я отразил сущность лишь основных и наиболее общих процессов, происходящих в металле при сварке , хотя постарался изложить их как можно подробней и интересней .
ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ СВАРКИ .
Сварка сопровождается комплексом одновременно протекающих процессов , основными из которых являются : тепловое воздействие на металл в зоне термического влияния , термодеформационные плавления , металлургической обработки и кристаллизации металла в объёме сварочной ванны в зоне сплавления .
Физическая свариваемость характеризует принципиальную возможность получения монолитных сварных соединений и главным образом относится к разнородным металлам .
В процессе сварки имеет место непрерывное охлаждение . Характер структурных превращений при этом отличается от случая распада аустенита при изотермической выдержке . При непрерывном охлаждении значение инкубационного периода в 1.5 раза больше , чем при изотермическом . С увеличением скорости охлаждения получаемая структура в зоне изотермического влияния измельчается , твёрдость её повышается . Если скорость охлаждения превышает критическую скорость , образование структур закалки неизбежно .
Закалённые структуры в аппаратостроении являются крайне нежелательными : отличаются высокой твёрдостью , хрупкостью , плохо обрабатываются , склонны к образованию трещин .
Если скорость охлаждения ниже критической скорости , образование закалочных структур исключается . В зоне термического влияния наиболее желательными являются пластичные , хорошо обрабатываемые структуры типа перлита или сорбита . Поэтому получение качественных соединений непременно связано с достижением желаемых структур в основном регулированием скорости охлаждения .
Подогрев способствует перлитному превращению и является действенным средством исключения закалочных структур . Поэтому он служит в качестве предварительной термической обработки сварных соединений (нагрев до сварки и в процессе её ) . Меняя скорость охлаждения , можно получить желаемую твёрдость в зоне термического влияния .
В некоторых случаях появляется необходимость увеличения скорости охлаждения . Путём ускоренного охлаждения удаётся измельчить зерно , повысить прочностные свойства и ударную вязкость в зоне термического влияния . С этой целью находит применение метод сопутствующего охлаждения . Сварное соединение в процессе сварки с обратной стороны дуги охлаждается водой или воздушной смесью , что способствует получению крутой ветви скорости охлаждения.
Технологическая прочность сварного шва .
Термин “Технологическая прочность” применяется для характеристики прочности конструкции в процессе её изготовления . В сварных конструкциях технологическая прочность лимитируется в основном прочностью сварных швов . Это один из важных показателей свариваемости стали .
Технологическая прочность оценивается образованием горячих и холодных трещин .
1. Горячие трещины .
Это хрупкие межкристаллические разрушения металла шва и зоны термического влияния . Возникают в твёрдо-жидком состоянии на завершающей стадии первичной кристаллизации , а так же в твёрдом состоянии при высоких температурах на этапе преимущественного развития межзернистой деформации .
Наличие температурно- временного интервала хрупкости является первой причиной образования горячих трещин . Температурно- временной интервал обуславливается образованием жидких и полужидких прослоек , нарушающих металлическую сплошность сварного шва . Эти прослойки образуются при наличии легкоплавких , сернистых соединений (сульфидов ) FeS с температурой плавления 1189 С и NiS с температурой плавления 810 С . В пиковый момент развития сварочных напряжений по этим жидким прослойкам происходит сдвиг металла , перерастающего в хрупкие трещины .
Вторая причина образования горячих трещин - высокотемпературные деформации . Они развиваются вследствие затруднённой усадки металла шва , формоизменения свариваемых заготовок , а так же при релаксации сварочных напряжений в неравновесных условиях сварки и при послесварочной термообработке , структурной и механической концентрации деформации.
2. Холодные трещины .
Холодными считают такие трещины , которые образуются в процессе охлаждения после сварки при температуре 150 С или в течении нескольких последующих суток . Имеют блестящий кристаллический излом без следов высокотемпературного окисления .
Основные факторы , обуславливающие появление холодных трещин следующие:
а) Образование структур закалки ( мартенсита и бейнита ) приводит к появлению дополнительных напряжений , обусловленных объёмным эффектом .
б) Воздействие сварочных растягивающих напряжений .
в) Концентрация диффузионного водорода .
Водород легко перемещается в незакалённых структурах . В мартенсите диффузионная способность водорода снижается : он скапливается в микропустотах мартенсита , переходит в молекулярную форму и постепенно развивает высокое давление , способствующее образованию холодных трещин . кроме того , водород , адсорбированный на поверхности металла и в микропустотах , вызывает охрупчивание металла .
Углеродистые стали : сварка и сопутствующие ей процессы .
Сплавы Fe и С , где процентное содержание углерода не превышает 2,14 % , называют углеродистыми сталями . Углерод оказывает сильное влияние на свойства сталей . Наличие других элементов обусловлено :
1. Технологическими особенностями производства - Mn , Si - для устранения вредных включений закиси железа , FeO и FeS .
Вокруг оторочки сернистого железа , начиная с 985 С , происходит оплавление , что ведёт к снижению технологической прочности сварного шва . Температура плавления MnS составляет 1620 С , кроме того , он пластичен .
2. Невозможностью полного удаления из металла ( S, P, N , H )
3. Случайными причинами ( Cr , Ni , Cu и другие редкоземельные металлы )
Углеродистые стали составляют основную массу сплава Fe-C , до 95 % аппаратуры и оборудования изготавливают из этих сталей .
В отечественной промышленности наиболее широко применяют стали с содержанием углерода до 0,22 % , редко от 0,22 до 0,3 % .
Структурно -фазовые превращения углеродистых сталей определяются диаграммой состояния Fe-C . В нормализованном состоянии имеют феррито- перлитную структуру . С точки зрения кинетики распада аустенита , у углеродистых сталей происходит превращение аустенита в перлит ( второе основное превращение).
В зависимости от температуры охлаждения , степени переохлаждения , скорости охлаждения феррито- цементитной смеси получается различной степени дисперсионный перлит , сорбит , бейнит , троостит .
Низколегированные стали повышенной прочности.
К низколегированным относят стали , содержащие в своём составе до 2 % легирующих элементов каждого в отдельности и до 5 % суммарно ( Mn , Si , Cr , Ni ). Содержание углерода , как и у углеродистых сталей не превышает 0,22 % . Содержание S и P в низколегированных сталях такое же , как в качественных сталях.
При сварке , кинетика распада аустенита такая же , как и углеродистых сталей . При охлаждении на воздухе получается феррито- перлитная структура . Поэтому низколегированные стали повышенной прочности относят к хорошо свариваемым сталям .
Однако легирующие элементы существенно снижают критическую скорость охлаждения . При содержании в верхнем пределе и высоких скоростях охлаждения возможно подавление перлитного превращения и появления промежуточных и закалочных структур .
При уменьшении погонной энергии сварки и увеличении интенсивности охлаждения в металле шва и зоне термического влияния возрастает вероятность распада аустенита с образованием закалочных структур . При этом будет увеличиваться вероятность образования холодных трещин и склонность к хрупкому разрушению .
При повышенных погонных энергиях наблюдается рост зерна аустенита и образуется грубозернистая феррито- перлитная структура видманштетового типа с пониженной ударной вязкостью .
Выбор тепловых режимов в основном преследует цель недопущения холодных трещин . Одним из самых технологичных средств , снижающих вероятность появления трещин , является подогрев . Температура подогрева определяется в зависимости от эквивалента углерода и толщины свариваемого проката . Необходимая температура подогрева возрастает с увеличением легированности стали и толщины свариваемого проката .
Низколегированные стали жаропрочные перлитные .
Хромомолибденовые стали 12МХ , 12ХМ , 15ХМ предназначены для работы в диапазоне температур -40... +560 С . В основном используются при температурах +475...+560 С . Их применение обусловлено низкой стоимостью и достаточно высокой технологичностью при изготовлении сварных конструкций и производстве отливок , поковок .
На участках , нагретых выше точки Ас(3) , возможно образование мартенсита и троостита . Реакция стали на термический цикл сварки характеризуется разупрочнением в зоне термического влияния в интервале температуры Ас(3) - Т (0), который объясняется процессами отпуска . Протяжённость разупрочненного участка увеличивается про больших значениях погонной энергии сварки .
Мягкая разупрочненная прослойка может явиться причиной локальных разрушений сварных соединений в процессе эксплуатации , особенно при изгибающих нагрузках .
Устранение разупрочнения осуществляется последующей термической обработкой с фазовой перекристаллизацией в печах ( объёмная термическая обработка ) .
mirznanii.com
Металлургические процессы при сварке - Сварка металлов
Металлургические процессы при сварке Категория:
Сварка металлов
Металлургические процессы при сварке Химический состав металла шва. Химический состав металла шва и его свойства зависят от состава и доли участия в формировании шва основного и электродного (присадочного) металла, реакций взаимодействия расплавляемого металла с газами атмосферы и защитными средствами.
При ручной дуговой сварке покрытым электродом доля основного металла в шве составляет 0,15—0,40 — при наплавке валиков, 0,25—0,50 — при сварке корневых швов, 0,25—0,60 — при сварке под флюсом.
Металлургические реакции при сварке. При сварке без защиты расплавляемый металл интенсивно поглощает газы атмосферы, поэтому сварные швы обладают низкими механическими свойствами. Для изоляции металла от воздуха в процессе сварки применяют различные средства защиты: электродные покрытия, флюсы, защитные газы, вакуум. Однако полностью изолировать металл от воздуха обычно не удается. Сами средства защиты также взаимодействуют с металлом, даже инертный газ и вакуум, содержащие некоторое количество примесей. Химические реакции взаимодействия расплавленного металла с газами и средствами защиту называются сварочными металлургическими реакциями.
Выделяют две основные зоны или стадии взаимодействия расплавленного металла с газами и шлаком: торец электрода с образующимися на нем каплями и сварочную ванну. Полнота протекания металлургических реакций зависит от температуры, времени взаимодействия, поверхности и концентрации реагирующих веществ.
Характерные условия металлургических реакций при сварке, как и при кристаллизации,— высокая температура нагрева, относительно малый объем расплавляемого металла, кратковременность процесса.
Средняя температура капель электродного металла, поступающих в ванну, увеличивается с увеличением плотности тока и составляет при сварке сталей от 2200 до 2700 °С, т. е. характеризуется значительным перегревом. Температура сварочной ванны при дуговой сварке также характеризуется значительным превышением над точкой плавления, перегрев составляет 100—500 °С. Высокая температура способствует высокой скорости протекания реакций, однако из-за больших скоростей охлаждения реакции при сварке обычно не успевают завершиться полностью.
Металлургические реакции при сварке одновременно протекают в газовой, шлаковой и металлической фазах.
Взаимодействие’металла с газами. При дуговой сварке газовая фаза зоны дуги, контактирующая с расплавленным металлом, состоит из смеси N2, 02, Н2, С02, СО, паров Н20, а также продуктов их диссоциации и паров металла и шлака. Азот попадает в зону сварки главным образом из воздуха. Источниками кислорода и водорода являются воздух, сварочные материалы (электродные покрытия, флюсы, защитные газы и т. п.), а также окислы, поверхностная влага и другие загрязнения на поверхности основного и присадочного металла. Наконец, кислород, водород и азот могут содержаться в избыточном количестве в переплавляемом металле. В зоне высоких температур происходит распад молекул газа на атомы (диссоциация).
При контакте расплавленного металла, содержащегося в газовой или шлаковой фазах, происходит растворение кислорода в металле, а при достижении предела растворимости — химическое взаимодействие с образованием окислов. Одновременно происходит окисление примесей и легирующих элементов, содержащихся в металле. В первую очередь окисляются элементы, обладающие большим сродством к Кислороду. Например, титан окисляется по реакции Ti+02=Ti02, марганец по реакции Мп+02=Мп02.
Железо образует с кислородом три соединения (окисла): закись железа FeO, содержащую 22,27% 02; закись-окись железа Fe304, содержащую 27,64% ,02; окись железа, содержащую 30,06% Оа. Кислород снижает прочностные и пластические свойства металла.
Азот растворяется в большинстве конструкционных материалов и со многими элементами образует соединения, которые называются нитридами. С железом он образует нитриды Fe2N (11,15% Na) и Fe4N (5,9% N2). Азот вызывает охрупчивание, поры и старение сталей.
Водород также растворяется в большинстве металлов. Металлы, способные растворять водород, можно разделить на две группы. К первой группе относятся металлы, не имеющие химических соединений с водородом (железо, никель, кобальт, медь и др.). Ко второй группе относятся металлы (титан, цирконий, ванадий, ниобий, тантал, паладий, редкоземельные элементы и др.), образующие с водородом химические соединения, которые называются гидридами. Водород очень вредная примесь, так как является причиной пор, микро- и макротрещин в шве и в зоне термического влияния.
Образующаяся окись углерода СО в металле шва не растворяется, в процессе кристаллизации сварочной ванны она выделяется и может образовать поры. Углекислый газ применяют для защиты зоны сварки при использовании раскисляющих элементов (Мп, Si), нейтрализующих окислительное действие С02.
Основные способы борьбы с вредным влиянием газов — качественная защита и применение элементов раскислителей в сварочных материалах.
Взаимодействие металла со шлаком. При расплавлении сварочного флюса, электродного покрытия, сердечника порошковой проволоки образуется шлак. Основное назначение сварочного шлака — изоляция расплавленного металла от воздуха. Флгосы и покрытия стабилизируют дугу, способствуют качественному формированию шва, осуществляют металлургическую обработку расплавленного металла — его раскисление и легирование.
Окислы кремния и марганца переходят в шлак.
Сварочные материалы наряду с окислителями могут содержать вредные компоненты — серу и фосфор, так как они являются причиной горячих трещин и охрупчивания металла шва. Сера, соединяясь с железом, образует сульфид железа FeS. Металл очищают от серы, вводя более активный элемент,, чем свариваемый металл, по реакции FeS+MnS:Fe+MnS. Сульфид марганца менее растворим в стали, чем сульфид железа, что вызывает перераспределение серы из расплавленного металла в шлак.
Читать далее:
Термический цикл сварки и структура сварного соединения
Статьи по теме:
pereosnastka.ru
Реферат: Металлургические процессы при сварке
ВВЕДЕНИЕ .
Сварочная металлургия отличается от других металлургических процессов высокими температурами термического цикла и малым временем существования сварочной ванны в жидком состоянии , т. е. в состоянии , доступном для металлургической обработки металла сварного шва . Кроме того ,специфичны процессы кристаллизации сварочной ванны , начинающиеся от границы сплавления , и образования изменённого по своим свойствам металла зоны термического влияния.
В своей работе я отразил сущность лишь основных и наиболее общих процессов, происходящих в металле при сварке , хотя постарался изложить их как можно подробней и интересней .
ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ СВАРКИ .
Сварка сопровождается комплексом одновременно протекающих процессов , основными из которых являются : тепловое воздействие на металл в зоне термического влияния , термодеформационные плавления , металлургической обработки и кристаллизации металла в объёме сварочной ванны в зоне сплавления .
Физическая свариваемость характеризует принципиальную возможность получения монолитных сварных соединений и главным образом относится к разнородным металлам .
В процессе сварки имеет место непрерывное охлаждение . Характер структурных превращений при этом отличается от случая распада аустенита при изотермической выдержке . При непрерывном охлаждении значение инкубационного периода в 1.5 раза больше , чем при изотермическом . С увеличением скорости охлаждения получаемая структура в зоне изотермического влияния измельчается , твёрдость её повышается . Если скорость охлаждения превышает критическую скорость , образование структур закалки неизбежно .
Закалённые структуры в аппаратостроении являются крайне нежелательными : отличаются высокой твёрдостью , хрупкостью , плохо обрабатываются , склонны к образованию трещин .
Если скорость охлаждения ниже критической скорости , образование закалочных структур исключается . В зоне термического влияния наиболее желательными являются пластичные , хорошо обрабатываемые структуры типа перлита или сорбита . Поэтому получение качественных соединений непременно связано с достижением желаемых структур в основном регулированием скорости охлаждения .
Подогрев способствует перлитному превращению и является действенным средством исключения закалочных структур . Поэтому он служит в качестве предварительной термической обработки сварных соединений (нагрев до сварки и в процессе её ) . Меняя скорость охлаждения , можно получить желаемую твёрдость в зоне термического влияния .
В некоторых случаях появляется необходимость увеличения скорости охлаждения . Путём ускоренного охлаждения удаётся измельчить зерно , повысить прочностные свойства и ударную вязкость в зоне термического влияния . С этой целью находит применение метод сопутствующего охлаждения . Сварное соединение в процессе сварки с обратной стороны дуги охлаждается водой или воздушной смесью , что способствует получению крутой ветви скорости охлаждения.
Технологическая прочность сварного шва .
Термин “Технологическая прочность” применяется для характеристики прочности конструкции в процессе её изготовления . В сварных конструкциях технологическая прочность лимитируется в основном прочностью сварных швов . Это один из важных показателей свариваемости стали .
Технологическая прочность оценивается образованием горячих и холодных трещин .
1. Горячие трещины .
Это хрупкие межкристаллические разрушения металла шва и зоны термического влияния . Возникают в твёрдо-жидком состоянии на завершающей стадии первичной кристаллизации , а так же в твёрдом состоянии при высоких температурах на этапе преимущественного развития межзернистой деформации .
Наличие температурно- временного интервала хрупкости является первой причиной образования горячих трещин . Температурно- временной интервал обуславливается образованием жидких и полужидких прослоек , нарушающих металлическую сплошность сварного шва . Эти прослойки образуются при наличии легкоплавких , сернистых соединений (сульфидов ) FeS с температурой плавления 1189 С и NiS с температурой плавления 810 С . В пиковый момент развития сварочных напряжений по этим жидким прослойкам происходит сдвиг металла , перерастающего в хрупкие трещины .
Вторая причина образования горячих трещин - высокотемпературные деформации . Они развиваются вследствие затруднённой усадки металла шва , формоизменения свариваемых заготовок , а так же при релаксации сварочных напряжений в неравновесных условиях сварки и при послесварочной термообработке , структурной и механической концентрации деформации.
2. Холодные трещины .
Холодными считают такие трещины , которые образуются в процессе охлаждения после сварки при температуре 150 С или в течении нескольких последующих суток . Имеют блестящий кристаллический излом без следов высокотемпературного окисления .
Основные факторы , обуславливающие появление холодных трещин следующие:
а) Образование структур закалки ( мартенсита и бейнита ) приводит к появлению дополнительных напряжений , обусловленных объёмным эффектом .
б) Воздействие сварочных растягивающих напряжений .
в) Концентрация диффузионного водорода .
Водород легко перемещается в незакалённых структурах . В мартенсите диффузионная способность водорода снижается : он скапливается в микропустотах мартенсита , переходит в молекулярную форму и постепенно развивает высокое давление , способствующее образованию холодных трещин . кроме того , водород , адсорбированный на поверхности металла и в микропустотах , вызывает охрупчивание металла .
Углеродистые стали : сварка и сопутствующие ей процессы .
Сплавы Fe и С , где процентное содержание углерода не превышает 2,14 % , называют углеродистыми сталями . Углерод оказывает сильное влияние на свойства сталей . Наличие других элементов обусловлено :
1. Технологическими особенностями производства - Mn , Si - для устранения вредных включений закиси железа , FeO и FeS .
Вокруг оторочки сернистого железа , начиная с 985 С , происходит оплавление , что ведёт к снижению технологической прочности сварного шва . Температура плавления MnS составляет 1620 С , кроме того , он пластичен .
2. Невозможностью полного удаления из металла ( S, P, N , H )
3. Случайными причинами ( Cr , Ni , Cu и другие редкоземельные металлы )
Углеродистые стали составляют основную массу сплава Fe-C , до 95 % аппаратуры и оборудования изготавливают из этих сталей .
В отечественной промышленности наиболее широко применяют стали с содержанием углерода до 0,22 % , редко от 0,22 до 0,3 % .
Структурно -фазовые превращения углеродистых сталей определяются диаграммой состояния Fe-C . В нормализованном состоянии имеют феррито- перлитную структуру . С точки зрения кинетики распада аустенита , у углеродистых сталей происходит превращение аустенита в перлит ( второе основное превращение).
В зависимости от температуры охлаждения , степени переохлаждения , скорости охлаждения феррито- цементитной смеси получается различной степени дисперсионный перлит , сорбит , бейнит , троостит .
Низколегированные стали повышенной прочности.
К низколегированным относят стали , содержащие в своём составе до 2 % легирующих элементов каждого в отдельности и до 5 % суммарно ( Mn , Si , Cr , Ni ). Содержание углерода , как и у углеродистых сталей не превышает 0,22 % . Содержание S и P в низколегированных сталях такое же , как в качественных сталях.
При сварке , кинетика распада аустенита такая же , как и углеродистых сталей . При охлаждении на воздухе получается феррито- перлитная структура . Поэтому низколегированные стали повышенной прочности относят к хорошо свариваемым сталям .
Однако легирующие элементы существенно снижают критическую скорость охлаждения . При содержании в верхнем пределе и высоких скоростях охлаждения возможно подавление перлитного превращения и появления промежуточных и закалочных структур .
При уменьшении погонной энергии сварки и увеличении интенсивности охлаждения в металле шва и зоне термического влияния возрастает вероятность распада аустенита с образованием закалочных структур . При этом будет увеличиваться вероятность образования холодных трещин и склонность к хрупкому разрушению .
При повышенных погонных энергиях наблюдается рост зерна аустенита и образуется грубозернистая феррито- перлитная структура видманштетового типа с пониженной ударной вязкостью .
Выбор тепловых режимов в основном преследует цель недопущения холодных трещин . Одним из самых технологичных средств , снижающих вероятность появления трещин , является подогрев . Температура подогрева определяется в зависимости от эквивалента углерода и толщины свариваемого проката . Необходимая температура подогрева возрастает с увеличением легированности стали и толщины свариваемого проката .
Низколегированные стали жаропрочные перлитные .
Хромомолибденовые стали 12МХ , 12ХМ , 15ХМ предназначены для работы в диапазоне температур -40... +560 С . В основном используются при температурах +475...+560 С . Их применение обусловлено низкой стоимостью и достаточно высокой технологичностью при изготовлении сварных конструкций и производстве отливок , поковок .
На участках , нагретых выше точки Ас(3) , возможно образование мартенсита и троостита . Реакция стали на термический цикл сварки характеризуется разупрочнением в зоне термического влияния в интервале температуры Ас(3) - Т (0), который объясняется процессами отпуска . Протяжённость разупрочненного участка увеличивается про больших значениях погонной энергии сварки .
Мягкая разупрочненная прослойка может явиться причиной локальных разрушений сварных соединений в процессе эксплуатации , особенно при изгибающих нагрузках .
Устранение разупрочнения осуществляется последующей термической обработкой с фазовой перекристаллизацией в печах ( объёмная термическая обработка ) .
Образование обезуглероженной ( ферритной ) прослойки - это специфический показатель свариваемости , присущий этим сталям .
В процессе последующей эксплуатации при температурах 450-600 С , происходит миграция углерода из металла шва в основной металл , или наоборот , когда имеет место различие в их легировании карбидообразующими элементами .
Стали системы Fe-C-Cr ( хромистые стали ) .
Хром - основной легирующий элемент . Он придаёт сталям ценные свойства : жаропрочность , жаростойкость ( окалиностойкость , коррозионную стойкость ) .Чем больше содержание хрома , тем более высокой коррозионной стойкостью обладает сталь . Такое влияние хрома объясняется его способностью к самопассивированию даже в естественных условиях и образованию плотных газонепроницаемых оксидных плёнок при высоких температурах .
1. Специфика свариваемости сталей типа 15Х5М .
Склонность к закалке осложняет технологический процесс выполнения сварочных работ . В зоне термического влияния образуются твёрдые прослойки , которые не устраняются даже при сварке с подогревом до 350-400 С . Для полного устранения твёрдых прослоек необходимо применение дополнительных мер . Небольшая скорость распада хромистого аустенита , вызывающая склонность к закалке на воздухе , и фазовые превращения мартенситного характера снижают стойкость сталей к образованию трещине при сварке .Применение закаливающих на воздухе сталей для изготовления сварного оборудования приводит к образованию в сварных соединениях механической неоднородности .
Механическая неоднородность , заключающаяся в различии свойств характерных зон сварного соединения , является следствием , с одной стороны , неоднородности термодеформационных полей при сварке структурно - неравновесных сталей , с другой - применения технологии сварки с отличающимися по свойствам сварочными материалами из-за необходимости обеспечения технологической прочности .
В настоящее время применяется два вида сварки :
1. Сварка однородными перлитными электродами , близкими по составу к основному металлу .При этом металл шва и зона термического влияния приобретают закалённую структуру и образуется широкая твёрдая прослойка .
2. Сварка с применением аустенитных электродов . Поскольку аустенитные материалы не склонны к закалке , твёрдые прослойки образуются только в зоне термического влияния .
Хромистые мартенситно- ферритные стали .
У стали марки 08Х13 с содержанием углерода 0,08 % , термокинетическая диаграмма распада аустенита имеет две области превышения : в интервале 600-930 С, соответствующем образованию феррито- карбидной структуры , и 120-420 С - мартенситной . Количество превращённого аустенита в каждом из указанных температурных интервалов зависит , главным образом , от скорости охлаждения . Например , при охлаждении со средней скоростью 0,025 С/с превращение аустенита происходит преимущественно в верхней области с образованием феррита и карбидов . Лишь 10 % аустенита в этом случае превращается в мартенсит в процессе охлаждения от 420 С . Повышение скорости охлаждения стали до 10 C/c способствует переохлаждению аустенита до температуры начала мартенситного превращения ( 420 С ) и полному его бездиффузионному превращению . Изменения в структуре , обусловленные увеличением скорости охлаждения , сказываются и на механических свойствах сварных соединений . С возрастанием доли мартенсита наблюдается снижение ударной вязкости .
Увеличение содержания углерода приводит к сдвигу в область более низких температур границы превращения мартенсита . У сталей с содержанием углерода 0,1- 0,25 % в результате этого полное мартенситное превращение имеет место после охлаждения со скоростью ~1С/c .
С точки зрения свариваемости , мартенситно- ферритные стали являются “неудобными” в связи с высокой склонностью к подкалке в сварных соединениях этих сталей . Подкалка приводит к образованию холодных трещин . Склонность к образованию трещин при сварке зависит от характера распада аустенита в процессе охлаждения . В случае формирования мартенситной структуры ударная вязкость сварных соединений 13 %-ных хромистых сталей снижается до 0,05-0,1 МДж/м(^2) . Последующий отпуск при 650-700 С приводит к распаду структуры закалки , выделению карбидов , в результате чего тетрагональность мартенсита уменьшается . После отпуска ударная вязкость возрастает до 1МДж/м^2 . С учётом такой возможности восстановления ударной вязкости большинство марок хромистых сталей имеет повышенное содержание углерода для предотвращения образования значительного количества феррита в структуре . Таким образом удаётся предотвратить охрупчивание стали . Однако при этом наблюдается ухудшение свариваемости вследствие склонности сварных соединений к холодным трещинам из-за высокой хрупкости околошовного металла со структурой пластинчатого мартенсита .
Аустенитные коррозионностойкие стали .
Аустенитные стали содержат в своём составе Cr , Ni , C . По реакции на термический цикл хромоникелевые стали относят к хорошо свариваемым . При охлаждении они претерпевают однофазную аустенитную кристаллизацию неперлитного распада , тем более мартенситного превращения при этом не происходит .
Характерным показателем свариваемости хромоникелевых сталей является межкристаллитная коррозия (МКК) .
МКК развивается в зоне термического влияния , нагретой до температур 500-800 С ( критический интервал температур ) .
При пребывании металла в опасном (критическом) интервале температур по границам зерен аустенита выпадают карбиды хрома Cr(4)C , что приводит к обеднению приграничных участков зерен аустенита хромом .хром определяет коррозионную стойкость стали . В обеднённых хромом межкристаллитных участках развивается коррозия , которая называется межкристаллитной .
Межкристаллитная коррозия имеет опасные последствия - может вызвать хрупкие разрушения конструкций в процессе эксплуатации .
Чтобы добиться стойкости стали против межкристаллитной коррозии , нужно исключить или ослабить эффект выпадения карбидов . т. е. стабилизировать свойства стали .
Аустенитно- ферритные нержавеющие стали.
Аустенитно- ферритные стали относятся к группе хорошо свариваемых сталей . Они стойки к образованию горячих трещин против межкристаллитной коррозии .
Специфичным моментом свариваемости является их повышенная склонность к росту зерна . Наряду с ростом ферритных зерен возрастает общее количество феррита . Последующим быстрым охлаждением фиксируется образовавшаяся структура . Размеры зерна и количество феррита , а также ширина зоны перегрева зависят от погонной энергии сварки , соотношения структурных составляющих в исходном состоянии и чувствительности стали к перегреву .Соотношение количества структурных составляющих ( гамма - и альфа- фаз ) в исходном состоянии в значительной степени зависит от содержания а стали Ti . Количество титана в стали также определяет устойчивость аустенитной фазы против гамма- альфа превращения при сварочном нагреве . Чем выше содержание Ti , тем чувствительней сталь к перегреву . Вследствие роста зерна и уменьшения количества аустенита наблюдается снижение ударной вязкости металла околошовной зоны и угла загиба сварных соединений аустенитно- ферритных сталей . Менее чувствительными к сварочному нагреву являются стали , не содержащие титан , - это стали 03Х23Н6 и 03Х22Н6М2 .
Особенности сварки аппаратуры из разнородных сталей .
Специфическими показателями свариваемости разнородных сталей являются процессы диффузии и разбавления .
Наибольшую опасность представляет диффузия С в сторону высоколегированной стали , где большая концентрация Cr или других карбидообразующих элементов .
Разбавление происходит при перемешивании свариваемых сталей и присадочного материала в объёме сварочной ванны .
Сталь более легированная разбавляется сталью менее легированной . Степень разбавления зависит от доли участия каждого из составляющих разнородное сварное соединение .
Общие сведения о металлургических процессах при сварке в
инертных газах .
Сварку сталей осуществляют обычно под флюсом , в среде оксида углерода (IV) , но бывают случаи , когда целесообразно применять аргонно- дуговую сварку ,- например для упрочнения средне и высоколегированных сталей .
Низкоуглеродистые низколегированные стали , особенно кипящие , склонны к пористости вследствие окисления углерода :
Fe(3)C + FeO = 4Fe + CO ;
Этот процесс идёт за счёт кислорода , накопленного в сталях во время их выплавки , но может возникать за счёт примеси к Ar марок В и Г , за счёт влажности газа и содержащегося в нём кислорода .
Для подавления этой реакции в сварочной ванне нужно иметь достаточное раскислителей ( Si , Mn , Ti ) , т. е. использовать сварочные проволоки Св08ГС или Св08Г2С . Можно снизить пористость путём добавки к аргону до 50 % кислорода . который , вызывая интенсивное кипение сварочной ванны , способствует удалению газов до начала кристаллизации . Добавка кислорода к аргону снижает также критическое значение сварочного тока , при котором осуществляется переход от крупнокапельного переноса металла в дуге к струйному , что повышает качество сварки .
Среднелегированные углеродистые стали обычно содержат в своём составе достаточное количество активных легирующих компонентов для подавления пористости , вызываемой окислением углерода . Это обеспечивает плотную структуру шва , а шва состав металла шва соответствует основному металлу , если электродные проволоки имеют так же близкий состав .
Аустенитные коррозионностойкие и жаропрочные стали (12Х18Н10Т и др.) хорошо свариваются в среде аргона как плавящимся , так и неплавящимся электродом . При сварке этих сталей обычно не требуется каких-либо дополнительных мероприятий , но аустенитно- мартенситные стали очень чувствительны к влиянию водорода , который их сильно охрупчивает и даёт замедленное разрушение в виде холодных трещин .
Сварка алюминия и его сплавов .
Сварка алюминия и его сплавов затруднена наличием оксидных плёнок Al(2)O(3) с температурой плавления около 2300 С . Оксиды алюминия способствуют образованию пор в металле шва и снижают стабильность горения дугового разряда при сварке вольфрамовым электродом на переменном токе .
Оксид алюминия (III) может гидратироваться , и при попадании в сварочную ванну , он будет обогащать её водородом , что приведёт к пористости в сварном соединении , поэтому перед сваркой кромки изделия травят в щелочных растворах , механически зачищают металл и обезжиривают его поверхность . Электродная проволока так же подвергается травлению и механической зачистке . Для снижения пористости рекомендуется дополнительная сушка аргона .
Добавление к аргону хлора . фтора или летучих фторидов снижает пористость , но повышает токсичность процесса .
Сварка магниевых сплавов .
Сварка магниевых сплавов ( МА2, МА8 , МА2-1 ) в основном похожа на сварку алюминиевых сплавов , но оксид магния (II) , составляющий основную часть поверхностного слоя , менее прочно связан с металлом и не обладает такими защитными свойствами , как оксид алюминия (III) . Основные дефекты при сварке алюминиевых и магниевых сплавов - пористость и наличие оксидных включений в металле шва , так как оксиды Al(2)O(3) и MgO обладают большей плотностью , чем жидкий металл и не растворяются в нём .
Сварка титана и его сплавов .
При сварке титана и его сплавов ( ВТ1 , ВТ5 , ОТ4 ) возникает сложность с исключительной химической активностью титана . Титан реагирует с кислородом , азотом , углеродом , водородом , и наличие этих соединений приводит к резкой потере пластичности металла сварного соединения .
Особенно титан чувствителен к водороду , с которым он образует гидриды , разлагающиеся при высокой температуре , а при кристаллизации образуются игольчатые кристаллы , которые нарушают связь между металлическими зёрнами титана ( замедленное разрушение ) .
Сварка меди и её сплавов .
При сварке меди и её сплавов получение качественного шва - без пор , с требуемыми физическими свойствами - весьма затруднительно . Это связано с наличием в исходном металле закиси меди и высокой склонности меди к поглощению водорода . Возможна сварка меди и её сплавов в защитных газах - аргоне и гелии , а так же в азоте , который по отношению к этому металлу является инертным газом .
Сварку ведут неплавящимся электродом на постоянном токе прямой полярности с подачей присадочной проволоки .
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ В РАБОТЕ ЛИТЕРАТУРЫ.
1. А. В. Бакиев “Технология аппаратостроения” , Уфа 1995 год .
2. “Сварка в машиностроении” т. 1 под редакцией Н. А. Ольшанского .
3. “ Теория сварочных процессов” под редакцией В. В. Фролова .
www.referatmix.ru
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
osvarke.net
Металлургические процессы при газовой сварке
Металлургические процессы при газовой сварке
Металлургические процессы при газовой сварке по сравнению с обычными металлургическими процессами характеризуются: – малым объемом ванны расплавленного металла; – местным характером нагрева металла подвижным сосредоточенным источником;– высокой температурой теплового источника;– сравнительно большой скоростью расплавления и кристаллизации металла;– взаимодействием расплавленного металла ванны с газами восстановительной (средней) зоны пламени;– интенсивным перемешиванием металла ванны газовым потоком пламени.
При газовой сварке расплавленный металл сварочной ванны вступает во взаимодействие с газами, находящимися в пламени газовой горелки или в воздухе, в результате чего может произойти испарение, окисление (соединение с кислородом воздуха) и выгорание отдельных легирующих компонентов (составляющих) металла, раскисление расплавленного металла, насыщение металла углеродом или водородом и др.
Испарение металлов. В процессе сварки металлы нагреваются до температуры, близкой к температуре кипения, в результате происходит интенсивное испарение. Легко испаряются цинк, магний, свинец. Испарение металла при сварке (особенно медноцинковых, алюминие-вомагниевых, железомарганцевых и других сплавов) может привести к уменьшению (выгоранию) легирующих компонентов, что, в свою отередь, повлечет за собой изменение свойств металла.
Окисление металла при сварке. В основном металл сварочного шва окисляется газами пламени горелки или кислородом воздуха из окружающей среды. Кроме того, окисление расплавленного металла может происходить и за счет окислов (ржавчина, окалина), находящихся на поверхности кромок свариваемого металла или присадочной проволоки.
Растворяясь в стали, кислород вступает в соединение с легирующими компонентами, что увеличивает общее содержание кислорода сварного шва. Таким образом, избыточное содержание В попа (в виде окислов или в чистом виде) приводит к снижению механических свойств сварного соединения.
В процессе сварки содержание некоторых элементов (углерод, кпрмний марганец) в металле шва уменьшается, так как они выгорают В результате выгорания указанных элементов свойства сварного соединения ухудшаются. Например, при выгорании углерода образуется окись углерода, которая, выходя на поверхность ванны расплавленного металла, вызывает сильное кипение ее с чрезмерным разбрызгиванием — шов получается пористым с пониженными механическими свойствами.
Раскисление металла. Если в жидком металле шва находится несколько разнородных окислов, то между ними могут произойти химические реакции, в результате которых получаются соединения с более низкой температурой плавления, чем у исходных окислов. Эта особенность облегчает удаление окислов из расплавленного металла, так как полученные соединения имеют более низкую температуру плавления и легко вытесняются на поверхность ванны расплавленного, металла шва.
При сварке некоторых металлов (алюминий, медь, латунь) применяют флюсы, в состав которых входят отдельные компоненты, способствующие образованию легкоплавких соединений. Таким образом, под раскислением следует понимать удаление из металла шва кислорода, находящегося в нем в виде различных окислов. Процессы раскисления и окисления происходят одновременно и взаимосвязанно.
Например, восстановление окислов железа в условиях сварки осуществляется преимущественно за счет окисления углерода, кремния и марганца.
Возможность протекания этих реакций зависит от температуры и процентного содержания элементов. В некоторой степени раскисление сварочной ванны осуществляется углеродом, окисью углерода или водородом, имеющимися в пламени газовой горелки. При этом пламя не только восстанавливает окислы, но и предохраняет расплавленный металл от окисления его кислородом и насыщения азотом воздуха, при растворении которых шов получается хрупким. Следует всегда помнить, что ацетилено-кислородное пламя является слабым восстановителем, так как газы пламени действуют в основном лишь на поверхности сварочной ванны.
Сварочное пламя по отношению к расплавленному металлу является не раскислителем, а защитной средой, затрудняющей доступ кислорода к сварочной ванне и замедляющей окисление металла. Особенно ярко это выявляется при сварке высокоуглеродистых и высоколегированных сталей, а также при сварке меди, латуни, бронзы и алюминиевых сплавов, раскисление которых одним пламенем недостаточно. В этом случае необходимо применять флюсы, способствующие удалению окислов из металла.
При газовой сварке в металле шва и околошовной зоне происходят структурные изменения. В результате более медленного (по сравнению с дуговой сваркой) нагрева зона термического влияния при газовой сварке получается больше, чем при дуговой.
Основной металл, непосредственно прилегающий к сварочной ванне, перегревается и приобретает крупнозернистую структуру. Образование дендритов в результате частичного оплавления зерен представлено на рис. 10.
Такое же строение получает и металл шва, кристаллизующийся на частично оплавленных крупных зернах внутренней границы ванночки.
Сварное соединение можно разделить на три основные зоны, имеющие различные микроструктуры (рис. 11): I — зона основного металла; II — зона термического влияния; III — зона наплавленного металла.
Зона термического влияния — это участок основного металла, прилегающий к сварному шву, в котором произошли структурные изменения в результате нагрева его до температуры выше 720 °С. Глубина этой зоны при газовой сварке 8— 15 мм для малых толщин и 20— 25 мм для больших толщин.
В свою очередь, зону термического влияния можно подразделить на три участка.
Участок А, подвергающийся воздействию температур от 720 до 950 °С, характеризующийся неполной перекристаллизацией, т. е. частичным образованием новых мелких зерен феррита.
Участок Б, находящийся под воздействием температур от 950 до 1100 °С, отличается мелким строением зерен, т. е. более полной перекристаллизацией, и обладает повышенными по сравнению с основным металлом механическими свойствами.
На участке В, подвергающемся действию температур свыше 1150 °С, расположен перегретый металл с сильно выросшим зерном.
В зоне термического влияния может также образоваться закалочная структура (мартенсит) из-за интенсивного теплоотвода, вследствие чего вязкость и пластичность металла будут сильно понижены. В связи с этим зона термического влияния является таким местом, где в основном металле могут образоваться и развиться трещины.
Между зоной термического влияния и металлом шва находится участок сплавления небольшой ширины
Рис. 10. Образование дендритов в результате частичного оплавления зесен1 — жидкий металл; 2 — зона взаимной кристаллизации; 3 — отвод тепла; 4 — твердый металл; 5 — граница сплавления
Рис. 11. Микроструктура сварного соединения
Металлографическое исследование дает возможность контролировать швы, выявлять внутренние и наружные трещины, поры, раковины непровары, шлаковые включения, а также определять структуру металла переходной зоны термического влияния. Из сварного соединения вырезают образец (в перпендикулярном направлении к оси сварного шва), который должен содержать зону термического влияния и прилегающие к ней небольшие участки основного металла. Этот образец называют темплетом.
Одну из поверхностей реза подвергают механической обработке, после чего тщательно полируют данную поверхность, доводя ее до зеркального вида. При механической обработке и последующей полировке необходимо помнить, что подготовляемая поверхность образца для металлографических исследований должна быть строго перпендикулярна оси шва, без завалов краев, т. е. должна быть идеальная плоскостность. После этого подготовленную поверхность протравливают специальным реактивом и помещают на столик микроскопа.
Окончательно подготовленная поверхность сварного образца для металлографических исследований должна быть идеально чистой. Принимают сварной шов, в котором при металлографических исследованиях не обнаружены трещины в металле шва и в зоне термического влияния, непровары, подрезы, несплавления металла шва с основным металлом, микротрещины, шлаковые включения, поры.
Читать далее:Эксплуатация газосварочной и газорезательной аппаратуры и оборудованияЭксплуатация переносных ацетиленовых генераторовКачество сварных соединенийТехнология резкиМеханизированная резкаРучная резкаCварочные деформации и напряженияCварка чугунаCварка цветных металлов и сплавовСварка низкоуглеродистой стали
stroy-server.ru
Металлургические процессы при сварке - часть 2
Образование обезуглероженной ( ферритной ) прослойки - это специфический показатель свариваемости , присущий этим сталям .
В процессе последующей эксплуатации при температурах 450-600 С , происходит миграция углерода из металла шва в основной металл , или наоборот , когда имеет место различие в их легировании карбидообразующими элементами .
Стали системы Fe-C-Cr ( хромистые стали ) .
Хром - основной легирующий элемент . Он придаёт сталям ценные свойства : жаропрочность , жаростойкость ( окалиностойкость , коррозионную стойкость ) .Чем больше содержание хрома , тем более высокой коррозионной стойкостью обладает сталь . Такое влияние хрома объясняется его способностью к самопассивированию даже в естественных условиях и образованию плотных газонепроницаемых оксидных плёнок при высоких температурах .
1. Специфика свариваемости сталей типа 15Х5М .
Склонность к закалке осложняет технологический процесс выполнения сварочных работ . В зоне термического влияния образуются твёрдые прослойки , которые не устраняются даже при сварке с подогревом до 350-400 С . Для полного устранения твёрдых прослоек необходимо применение дополнительных мер . Небольшая скорость распада хромистого аустенита , вызывающая склонность к закалке на воздухе , и фазовые превращения мартенситного характера снижают стойкость сталей к образованию трещине при сварке .Применение закаливающих на воздухе сталей для изготовления сварного оборудования приводит к образованию в сварных соединениях механической неоднородности .
Механическая неоднородность , заключающаяся в различии свойств характерных зон сварного соединения , является следствием , с одной стороны , неоднородности термодеформационных полей при сварке структурно - неравновесных сталей , с другой - применения технологии сварки с отличающимися по свойствам сварочными материалами из-за необходимости обеспечения технологической прочности .
В настоящее время применяется два вида сварки :
1. Сварка однородными перлитными электродами , близкими по составу к основному металлу .При этом металл шва и зона термического влияния приобретают закалённую структуру и образуется широкая твёрдая прослойка .
2. Сварка с применением аустенитных электродов . Поскольку аустенитные материалы не склонны к закалке , твёрдые прослойки образуются только в зоне термического влияния .
Хромистые мартенситно- ферритные стали .
У стали марки 08Х13 с содержанием углерода 0,08 % , термокинетическая диаграмма распада аустенита имеет две области превышения : в интервале 600-930 С, соответствующем образованию феррито- карбидной структуры , и 120-420 С - мартенситной . Количество превращённого аустенита в каждом из указанных температурных интервалов зависит , главным образом , от скорости охлаждения . Например , при охлаждении со средней скоростью 0,025 С/с превращение аустенита происходит преимущественно в верхней области с образованием феррита и карбидов . Лишь 10 %аустенита в этом случае превращается в мартенсит в процессе охлаждения от 420 С . Повышение скорости охлаждения стали до 10 C/c способствует переохлаждению аустенита до температуры начала мартенситного превращения ( 420 С ) и полному его бездиффузионному превращению . Изменения в структуре , обусловленные увеличением скорости охлаждения , сказываются и на механических свойствах сварных соединений . С возрастанием доли мартенсита наблюдается снижение ударной вязкости .
Увеличение содержания углерода приводит к сдвигу в область более низких температур границы превращения мартенсита . У сталей с содержанием углерода 0,1- 0,25 %в результате этого полное мартенситное превращение имеет место после охлаждения со скоростью ~1С/c .
С точки зрения свариваемости , мартенситно- ферритные стали являются “неудобными” в связи с высокой склонностью к подкалке в сварных соединениях этих сталей . Подкалка приводит к образованию холодных трещин . Склонность к образованию трещин при сварке зависит от характера распада аустенита в процессе охлаждения . В случае формирования мартенситной структуры ударная вязкость сварных соединений 13 %-ных хромистых сталей снижается до 0,05-0,1 МДж/м(^2) . Последующий отпуск при 650-700 С приводит к распаду структуры закалки , выделению карбидов , в результате чего тетрагональность мартенсита уменьшается . После отпуска ударная вязкость возрастает до 1МДж/м^2 . С учётом такой возможности восстановления ударной вязкости большинство марок хромистых сталей имеет повышенное содержание углерода для предотвращения образования значительного количества феррита в структуре . Таким образом удаётся предотвратить охрупчивание стали . Однако при этом наблюдается ухудшение свариваемости вследствие склонности сварных соединений к холодным трещинам из-за высокой хрупкости околошовного металла со структурой пластинчатого мартенсита .
Аустенитные коррозионностойкие стали .
Аустенитные стали содержат в своём составе Cr , Ni , C . По реакции на термический цикл хромоникелевые стали относят к хорошо свариваемым . При охлаждении они претерпевают однофазную аустенитную кристаллизацию неперлитного распада , тем более мартенситного превращения при этом не происходит .
Характерным показателем свариваемости хромоникелевых сталей является межкристаллитная коррозия (МКК) .
МКК развивается в зоне термического влияния , нагретой до температур 500-800 С ( критический интервал температур ) .
При пребывании металла в опасном (критическом) интервале температур по границам зерен аустенита выпадают карбиды хрома Cr(4)C , что приводит к обеднению приграничных участков зерен аустенита хромом .хром определяет коррозионную стойкость стали . В обеднённых хромом межкристаллитных участках развивается коррозия , которая называется межкристаллитной .
Межкристаллитная коррозия имеет опасные последствия - может вызвать хрупкие разрушения конструкций в процессе эксплуатации .
Чтобы добиться стойкости стали против межкристаллитной коррозии , нужно исключить или ослабить эффект выпадения карбидов . т. е. стабилизировать свойства стали .
Аустенитно- ферритные нержавеющие стали.
Аустенитно- ферритные стали относятся к группе хорошо свариваемых сталей . Они стойки к образованию горячих трещин против межкристаллитной коррозии .
Специфичным моментом свариваемости является их повышенная склонность к росту зерна . Наряду с ростом ферритных зерен возрастает общее количество феррита . Последующим быстрым охлаждением фиксируется образовавшаяся структура . Размеры зерна и количество феррита , а также ширина зоны перегрева зависят от погонной энергии сварки , соотношения структурных составляющих в исходном состоянии и чувствительности стали к перегреву .Соотношение количества структурных составляющих ( гамма - и альфа- фаз ) в исходном состоянии в значительной степени зависит от содержания а стали Ti . Количество титана в стали также определяет устойчивость аустенитной фазы против гамма- альфа превращения при сварочном нагреве . Чем выше содержание Ti , тем чувствительней сталь к перегреву . Вследствие роста зерна и уменьшения количества аустенита наблюдается снижение ударной вязкости металла околошовной зоны и угла загиба сварных соединений аустенитно- ферритных сталей . Менее чувствительными к сварочному нагреву являются стали , не содержащие титан , - это стали 03Х23Н6 и 03Х22Н6М2 .
Особенности сварки аппаратуры из разнородных сталей .
Специфическими показателями свариваемости разнородных сталей являются процессы диффузии и разбавления .
Наибольшую опасность представляет диффузия С в сторону высоколегированной стали , где большая концентрация Cr или других карбидообразующих элементов .
Разбавление происходит при перемешивании свариваемых сталей и присадочного материала в объёме сварочной ванны .
Сталь более легированная разбавляется сталью менее легированной . Степень разбавления зависит от доли участия каждого из составляющих разнородное сварное соединение .
Общие сведения о металлургических процессах при сварке в
инертных газах .
Сварку сталей осуществляют обычно под флюсом , в среде оксида углерода (IV) , но бывают случаи , когда целесообразно применять аргонно- дуговую сварку ,- например для упрочнения средне и высоколегированных сталей .
Низкоуглеродистые низколегированные стали , особенно кипящие , склонны к пористости вследствие окисления углерода :
Fe(3)C + FeO = 4Fe + CO ;
Этот процесс идёт за счёт кислорода , накопленного в сталях во время их выплавки , но может возникать за счёт примеси к Ar марок В и Г , за счёт влажности газа и содержащегося в нём кислорода .
Для подавления этой реакции в сварочной ванне нужно иметь достаточное раскислителей ( Si , Mn , Ti ) , т. е. использовать сварочные проволоки Св08ГС или Св08Г2С . Можно снизить пористость путём добавки к аргону до 50 % кислорода . который , вызывая интенсивное кипение сварочной ванны , способствует удалению газов до начала кристаллизации . Добавка кислорода к аргону снижает также критическое значение сварочного тока , при котором осуществляется переход от крупнокапельного переноса металла в дуге к струйному , что повышает качество сварки .
Среднелегированные углеродистые стали обычно содержат в своём составе достаточное количество активных легирующих компонентов для подавления пористости , вызываемой окислением углерода . Это обеспечивает плотную структуру шва , а шва состав металла шва соответствует основному металлу , если электродные проволоки имеют так же близкий состав .
Аустенитные коррозионностойкие и жаропрочные стали (12Х18Н10Т и др.) хорошо свариваются в среде аргона как плавящимся , так и неплавящимся электродом . При сварке этих сталей обычно не требуется каких-либо дополнительных мероприятий , но аустенитно- мартенситные стали очень чувствительны к влиянию водорода , который их сильно охрупчивает и даёт замедленное разрушение в виде холодных трещин .
mirznanii.com
Металлургические процессы дуговой сварки
Общие сведения
Металлургические процессы при сварке отличаются от процессов в плавильных печах следующими особенностями:
- малый объем расплавленного и нагретого металла;
- высокая температура процесса;
- быстрый отвод тепла от расплавленного металла при сравнительно холодном основном металле.
Высокая температура сварочной дуги значительно ускоряет процессы в металле при сварке. Молекулы кислорода, водорода и азота распадаются на атомы и взаимодействуют с расплавленным металлом, происходит окисление элементов, содержащихся в металле, и насыщение его водородом и азотом.
Металлургические процессы при сварке представляют собой процессы взаимодействия расплавленного и нагретого металла со шлаками, образующимися при сварке, газами и воздухом, переход металла шва каплями через сварочную дугу в сварочную ванну сопровождается выделением газов, которые остаются в наплавленном металле шва.
Кислород попадает в зону сварки из воздуха, флюса или электродного покрытия, взаимодействует с металлом жидкой ванны, окисляя железо и другие элементы, содержащиеся в стали. В связи с этим он является наиболее вредной примесью, так как образует растворимые в стали окислы, переходящие в металл шва, которые снижают пределы прочности и текучести, относительное удлинение и ударную вязкость металла сварного соединения. Это также приводит к снижению антикоррозионных свойств шва и к образованию горячих и холодных трещин.
Реакции взаимодействия с кислородом:
2Fe + O2 = 2FeO ; Fe + О = FeO ; 4Fe + 3O2 = 2Fe2O3 ; 3Fe + 2O2 = Fe3O4.
При этом получаются: закись железа FeO, окись железа Fe2O3, окись-закись железа Fe3O4.
Взаимодействие влаги с железом по реакции:
Fe + Н20 = FeO + Н2.
Закись железа FeO наиболее неблагоприятна, так как при высокой температуре растворяется в стали до полного насыщения и при затвердевании частично остается в шве.
Кислород также вступает в соединение с другими элементами, входящими в состав стали:
С + О → СО ; Мn + О → МnО ; Si + 2O → SiO2,
где С, Мn, Si — соответственно углерод, марганец, кремний.
Азот, поступая в зону сварки из воздуха, под действием высокой температуры нагревается и растворяется в жидком металле, образуя при охлаждении сварного шва химические соединения (нитриды) с железом и другими элементами стали.
Медленное охлаждение металла шва способствует удалению азота в атмосферу, быстрое охлаждение — задержанию его в шве.
Основные нитриды железа образуются по реакциям:
8Fe + 2N = 2Fe4N ; 4Fe + 2N = 2Fe2N ; 2Fe4N + 2N = 4Fe2N
Нитриды располагаются в шве в виде азотных игл и повышают твердость и хрупкость металла шва.
Ухудшение свойств низкоуглеродистых сталей наблюдается при содержании в них азота более 0.05%. При сварке электродами с толстым покрытием достигается уменьшение содержания азота в сварном шве до 0,02...0,05%, при сварке закрытой дугой под флюсом — до 0,008% и применением сварочных проволок с повышенным содержанием марганца. Содержание азота в сварном шве уменьшается с увеличением силы тока и уменьшением дугового промежутка.
Более устойчивыми являются нитриды алюминия, марганца, титана и кремния:
Al + ½N2 → AlN ; Ti + ½N2 → TiN ; 5Mn + N2 → Mn5N2 ; 3Si + 2N2 → Si3N4.
Легирование стали алюминием, марганцем, титаном и кремнием, которые связывают азот в стойкие нитриды, позволяет предупредить старение стали и повышает пластичность соединения.
Водород может поступать в зону сварки из влаги окружающего воздуха, покрытий и флюсов, ржавчины кромок металла. Сварной шов при высоком содержании водорода становится менее пластичным и хрупким в холодном состоянии. В шве появляются также газовые пузыри пористости, мелкие трещины и небольшие светлые пятна с малой полостью в центре, которые встречаются на поверхности излома. Эти свойства более выражены при сварке на переменном токе и менее выражены при сварке на постоянном токе обратной полярности.
Молекулы водорода в сварочной дуге распадаются (диссоциируют) на атомы:
Н2 = Н + Н.
Диссоциированный водород активно соединяется с кислородом, азотом, серой и фосфором, при этом происходит восстановление железа из окислов, нитридов, сульфидов и хлоридов, что нежелательно.
Против насыщения металла шва газами применяют:
- прокаленные электроды и флюсы, хранящиеся в сухом месте;
- кромки металла шва сухие и очищенные от ржавчины;
- сварку металла при низких температурах в закрытых помещениях;
- защиту свариваемого металла от попадания влаги;
- защиту сварочной проволоки от образования ржавчины.
otdelka-profi.narod.ru
