3285

ЛЕКЦИЯ 7

Ограничение содержания водорода в металле. Для уменьшения коли-

чества растворяющегося водород?, в металле в высокотемпературной зоне необходимо проводить мероприятия по уменьшению содержания водорода в газовой фазе (то есть снижать парциальное давление водорода РН2 в столбе дуги). Это достигается следующими способами:

а) удалением и ограничением источников водорода при сварке. С этой целью свариваемые кромки тщательно очищаются су ржавчины, которая содержит влагу, производится также очистка сварочной проволоки от жиров, просушиваются и прокаливаются электроды и флюсы и т.п.

б) связыванием газообразного водорода в стойкие при высоких температурах химические соединения. Растворенный в металле водород в высокотемпературной зоне, вступая в реакцию с фтористым кремнием, образует устойчивое химическое соединение (фтористый водород), не растворимое в железе и удаляемое в атмосферу:

SiFu + 3[H ] = SiF + 3HF↑

в) уменьшением количества растворенного водорода путем его окисления. Если в металле присутствует кислород, то он в первую очередь окисляет растворенный водород, тж. большим сродством к кислороду, чем водород, не обладает ни один химический элемент в природе.

2[H ]+[O] = H2O ,

Пары воды абсолютно нерастворимы в металле и представляют собой обособленную фазу, и величину РH2O можно принять постоянной (К3 = РH2O). Тогда уравнение константы равновесия реакции окисления растворенного водорода можно записать следующим образом:

Следовательно, произведение концентрации водорода на концентрацию кислорода, растворенных в металле, стремится к постоянной величине, зависящей от температуры металла. Выразив концентрацию растворенного водорода через концентрацию растворенного кислорода, получим

[H ]= [OK].

91

МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ СВАРКЕ ПЛАВЛЕНИЕМ

To есть, чем больше растворено кислорода в металле (чем более окислена ванна), тем меньше остается в нем растворенного водорода. Это положение хорошо подтверждается экспериментальными данными (рис. 7.11).

Рис. 7.11. Зависимость количества растворенного водорода в металле от количества кислорода в нем

Однако хорошо рассмотренный металл (металл, содержащий малое количество кислорода) является весьма чувствительным к водороду газовой фазы, активно его поглощает. Поэтому при сварке такого металла требуются усиленные меры защиты зоны сварки от водорода (введение фторидов, прокалка сварочных материалов и пр.).

7.4. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МЕТАЛЛА ПРИ СВАРКЕ СО СЛОЖНЫМИ ГАЗАМИ, СОДЕРЖАЩИМИ КИСЛОРОД

При дуговой сварке в газовой атмосфере почти всегда присутствуют окислы углерода и пары воды. Углекислый газ (С02) применяется в качестве защитного газа при сварке углеродистых и низколегированных сталей. В некоторых типовых электродных покрытиях применяют углекислые соли, в частности СаСОз в виде мрамора или мела. При нагреве карбонаты разлагаются по реакции СаСО3 СаО + СО2. .Углекислый газ при высокой температуре диссоциирует с выделением свободного кислорода: СО2 СО + ½ О2.

Таким образом, в дуге одновременно будут присутствовать СО2, СО и О2 Расчеты показывают, что с повышением температуры количество свободного кислорода 02 и окиси углерода СО растет, а количество СО2 уменьшается. При

92

ЛЕКЦИЯ 7

температуре выше 3800 К газовая фаза будет состоять из 60 % СО, 30 % О2 и около 10 % СО2 (рис.7.12). То есть она будет резко окислительной по отношению к железу.

Рис. 7.12. Состав газовой фазы при сварке

Реакцию окисления жидкого железа углекислым газом можно опирать уравнением

СО2 + Fe FeO + CO↑.

Выделение окиси углерода СО, нерастворимого в жидком железе, приводит к интенсивному образованию пузырьков в сварочной ванне (кипению) и образованию пор в металле шва. Таким образом, наличие в газовой фазе углекислого газа при сварке сплавов железа приводит к повышению кислорода в металле шва. В связи с этим необходимо применять меры для предохранения металла от окисления либо для удаления кислорода из сварочной ванны (производить раскисление). Углекислый газ обеспечивает защиту металла при сварке от азота воздуха, но не исключает его окисления. Поэтому при сварке сталей в углекислом газе применяют проволоку, содержащую повышенное количество Мn и Si в качестве раскислителей.

Водяной пар (Н20) при сварке также может иметь большие концентрации в газовой фазе (т.е. в столбе дуги) и вытеснять азот, поэтому в некоторых случаях пары воды используют в качестве защитных газов. При высоких температурах водяной пар диссоциирует с образованием водорода и кислорода:

Н2О Н2 + ½ О2, Н2О 2Н + О.

93

МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ СВАРКЕ ПЛАВЛЕНИЕМ

То есть, как и при сварке в СО2, пары воды в дуге создают окислительную среду, состоящую из Н2О, Н2, О2, Н и О.

Суммарную реакцию окисления железа парами воды можно описать как

Н2О + [Fe] [FeO] + Н2.

Эта реакция приводит к повышению кислорода в шве, к насыщению его водородом и к возможному выделению в жидком металле пузырьков в виде пор. Поэтому получение качественного металла шва при наличии паров воды в атмосфере дуги по сравнению с углекислым газом более затруднительно из-за насыщения металла водородом.

Контрольные вопросы

1.Дайте общую характеристику металлургических процессов при сварке плавлением.

2.Перечислите источники кислорода, приводящие к окислению металла при сварке.

3.Проанализируйте процесс окисления металла свободным кислородом газовой фазы. Перечислите факторы, определяющие величину константы равновесия реакции окисления.

4.Что такое парциальное давление газа в смеси газов?

5.Дайте определение упругости диссоциации окисла. Чем определяется химическое сродство элемента к кислороду?

6.Выучите и перечислите наизусть химические элементы в стали в порядке убывания их сродства к кислороду.

7.Проанализируйте процессы окисления металла поверхностными окислами и окислами шлаков.

8.Опишите кремнемарганцевосстановительные реакции при сварке стали под флюсом.

9.Как окисляется металл шва при сварке стали, содержащей элементы - раскислители?

10.Проанализируйте процесс взаимодействия металла с водородом при сварке сталей (источники водорода в зоне сварки, растворимость водорода в железе в зависимости от температуры).

11.Какое влияние на свойства сварных соединений оказывает водород?

12.Перечислите способы снижения содержания водорода в сварном соединении.

13.Проанализируйте процесс взаимодействия металла с азотом (растворимость азота в железе; нитриты, образующиеся в шве; источники азота в зоне сварки, способы уменьшения содержания азота в сварном соединении).

14.Проанализируйте процессы взаимодействия металла со сложными газами, содержащими кислород, при сварке сталей (взаимодействие с углекислым газом и водяным паром).

94

ДЕФЕКТЫ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

১

Рис. 8.1. Нормативные размеры стыкового шва:

ао — ширина шва; во – ширина проплава; hо1 – высота усиления; hо2 – высота проплава; S – толщина свариваемого металла

Отклонения от этих размеров могут быть следующих видов.

1. Чрезмерное усиление стыкового или углового шва h1 > h01. При этом,

как правило, наблюдается резкий переход от шва к основному металлу, который является концентратом напряжений и местом зарождения трещин при динамических нагрузках (рис. 8.2).

Рис. 8.2

Такой дефект появляется при нарушении режима сварки: чрезмерной величине сварочного тока и высокой скорости плавления электрода, высокой скорости сварки.

2. Ослабленный шов – размеры шва меньше, чем нормативные: h1 < h°1; h2<h°2 (рис. 8.3, а); неполное заполнение разделки h1 <0 (рис. 8.3, 6); вогнутость корня шва h2 <0 (рис. 8.3, в) или малый катет в тавровых швах (рис 8.3, г). В этом случае уменьшается прочность сварочного соединения.

Рис. 8.3. Ослабленные швы

96

ЛЕКЦИЯ 8

Эти дефекты возникают при недостаточной силе тока, при этом уменьшается скорость плавления электрода.

3.Наплывы (рис. 8.4).

Рис. 8.4. Наплывы при сварке в нижнем положении (а) и на вертикальной стенке (б)

Смещение шва от линии стыка приводит к натеканию металла на поверхность свариваемой детали без сплавления с ней. Эти несплавленные участки являются опасными очагами концентрации напряжений и могут служить местом зарождения трещин при знакопеременных нагрузках. Наплывы возникают при отклонении дуги от оси шва (вследствие магнитного дутья, несовпадения линии движения сварочного автомата с линией стыка, низкой квалификации сварщика, большой величины тока, неправильного наклона электрода, излишне длинной дуги и др.).

4. Подрезы – это уменьшение сечения основного металла на лицевой стороне шва (рис. 8.5). Эти дефекты снижают статическую и динамическую прочность сварных соединений из-за уменьшения рабочего сечения и создания очагов концентрации напряжений. Наиболее опасны подрезы в конструкциях из высокопрочных сталей, весьма чувствительных к концентрациям напряжений.

Рис. 8.5. Подрезы в стыковых (а) и тавровых (б и в) швах (стрелками обозначены подрезы)

97

ДЕФЕКТЫ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Причинами образования подрезов могут быть: большая величина сварочного тока, большая длина дуги, которая при этом легко отклоняется от оси шва под действием различных возмущающих факторов (сильный ветер, магнитное дутье и др.). При сварке тавровых соединений смещение электрода или отклонение дуги в сторону горизонтальной стенки приводит к образованию подреза на вертикальной стенке (см. рис. 8.5, 6) и, наоборот, смещение электрода или отклонение дуги в сторону вертикальной стенки - на горизонтальной. Подрезы, превышающие допустимые нормы, заплавляют дуговой сваркой при пониженных значениях тока и сглаживают механическим путем (фрезерование, шлифование).

5. Непровары относятся к числу наиболее опасных дефектов сварных соединений, возникают при неполном проплавлении свариваемых деталей. При этом уменьшается рабочее сечение шва и, следовательно, прочность сварного соединения. А непроваренная часть толщины свариваемых элементов является очагом концентрации напряжений, откуда вероятно зарождение трещин при динамических нагрузках на металлоконструкцию.

Непровары односторонних стыковых соединений (рис. 8.6, а, б, г) обнаруживаются внешним осмотром, а внутренние непровары — шлаковые включения и несплавления между слоями двусторонних швов (рис. 8.6, б, д) — могут быть обнаружены только с применением специальных методов контроля (рентгеновское или β-просвечивание, ультразвуковой или магнитный контроль).

Рис. 8.6. Непровары (указаны стрелками) в стыковых (а, б, в, г) и тавровых (д) соединениях

Причинами образования непроваров могут быть:

−малый зазор ∆ (рис. 8.6а) при сборке деталей под сварку;

−малый угол скоса кромок — α< αo (рис. 8.6,в и г), при этом не обеспечивается проплавление корня шва.;

−завышенная скорость сварки или малая величина тока;

98

ЛЕКЦИЯ 8

− загрязнение свариваемых кромок, плохая очистка швов от шлака при многослойной сварке.

Малая величина тока или завышенная скорость сварки свидетельствуют о неправильно выбранном режиме сварки. Количество вложенного в свариваемое

изделие тепла определяется погонной энергией дуги q = kUI (здесь к — без-

Vcв

размерный коэффициент). Числитель этого выражения — тепловая мощность дуги, Дж/с, а знаменатель — скорость сварки, см/с. Таким образом, погонная энергия имеет размерность

и показывает количество тепла, вложенного в изделие на 1 см длины шва. Уменьшение погонной энергии по сравнению с оптимально выбранной из-за снижения величины тока или из-за повышения скорости сварки неизбежно приведет к образованию непроваров.

6. Прожоги– это полости в шве, образовавшиеся в результате вытекания металла из сварочной ванны. Эти дефекты возникают при однопроходной сварке тонколистовых соединений «на весу» (без подкладок) или при укладке корневого шва при многопроходной сварке (рис. 8.7).

Рис. 8.7. Образование прожогов при однопроходной (а) и многопроходной сварке (б)

Прожоги могут быть и при сварке нахлесточных и тавровых соединений, и при сварке стыковых соединений на подкладках. Причинами возникновения прожогов является избыточная сила тока при малой скорости сварки (избыточная погонная энергия), вследствие чего возрастает объем сварочной ванны и происходит вытекание жидкого металла. Увеличивают вероятность образования прожогов – завышенная величина зазоров между соединяемыми элементами, неплотное прилегание подкладки или флюсовой подушки с обратной стороны шва.

99

ДЕФЕКТЫ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

7. Кратер в конце шва – углубление, образующееся после резкого обрыва дуги. Так как под действием давления дуги жидкий металл вытесняется из-под дуги, сварочная ванна представляет собой некоторый объем расплава с вогнутой поверхностью (рис. 8.8, а).

При медленном гашении дуги путем постепенного увеличения ее длины или уменьшения величины тока вытесненный жидкий металл под действием силы тяжести заполняет кратер (рис. 8.8, б). В случае резкого обрыва дуги происходит быстрая кристаллизация сварочной ванны и углубление в ней остается незаполненным (рис. 8.8, в).

Рис. 8.8. Образование кратера в конце сварного шва: 1 — металл шва; 2 — свариваемый металл;

3 — незаполненный кратер; 4 — трещины в незаполненном кратере

Оставшиеся в кратере порции жидкого металла при ускоренной кристаллизации в результате объемной усадки испытывают растягивающие напряжения. При этом в кратере возникают трещины в виде «паучков», которые в процессе эксплуатации могут стать причиной начала разрушения конструкции. Чтобы обеспечить заплавление кратера, следует плавно увеличивать дугу или постепенно уменьшать величину сварочного тока. Кроме того, рекомендуется кратер выводить на технологические планки или заканчивать шов на заваренном ранее участке (рис. 8.9).

2 1

Рис. 8.9. Приемы окончания швов:

а— вывод на технологическую планку; б — окончание на заваренном ранее участке шва;

в— на кольцевом шве; 1 и 2 — начало и конец сварки соответственно

100