Тема 1.2 Металургійні та фізико-хімічні процеси при дуговому зварюванні

Питання теми:

Термічний цикл.

Металургійні процеси зварювання електродами з різними видами покриття. Особливості кристалізації металу шва у зварювальній ванні. Мікроструктура шва й зони термічного впливу. Гарячі й холодні тріщини.

Термічний цикл

При дуговому зварюванні джерело тепла – електрична дуга – переміщується уздовж крайок, що зварюють, нагріваючи й розплавляючи метал. Основний і електродний метали, перемішуючись у рухливій зварювальній ванні й застигаючи, утворять зварний шов.

Температура рідкого металу у зварювальній ванні не скрізь однакова: на периферійних ділянках вона близька до температури плавлення металу, а на ділянках, що перебувають під впливом електричної дуги, вище (Т = 1530 – 2300⁰).

Зміна температури під час зварювання в даній крапці зварного шва або околошовной зони називається термічним циклом (нагрівання, плавлення, затвердіння й остигання). Регулюючи час нагрівання й остигання шляхом вірного вибору режиму зварювання, можна вплинути на формування структури шва або околошовної зони й одержати шов необхідної якості.

Основними параметрами режиму, що регулюють термічний цикл зварювання, є величина погонної енергії дуги (q/v) і початкова температура металу Т₀ (перед зварюванням). Зі збільшенням погонної енергії або початкової температури металу (у випадку попереднього підігріву) швидкість охолодження зменшується, що сприятливо впливає на структуру шва.

Особливості металургійних процесів

Зварний шов утвориться в результаті складного металургійного процесу, що протікає в наступних характерних умовах:

1) при високій температурі;

2) у невеликому об'ємі розплавленого металу;

3) протягом короткого часу;

4) при швидкому відводі тепла в прилягаючий твердий метал;

5) при участі двох різних металів;

6) при інтенсивному впливі навколишніх газів і шлаків.

Завдяки високій температурі в дузі відбуваються хімічні реакції дисоціації деякої частини молекулярного кисню й водню на атомарний:

Q₂ 2O – Q₁

N₂ 2N – Q₂

H₂ 2H – Q₃

де Q₁,Q₂,Q₃ – кількість теплоти, що поглинається реакцією.

Фізико-хімічні процеси

Взаємодія рідкого металу зварної ванни з киснем, воднем і іншими газами.

Кисеньнадходить у ванну з повітря або з електродного покриття й інтенсивно окисляє розплавлений метал, з'єднуючись c залізом і іншими елементами:

Fe + O = FeО + Q₄

Кисень, перебуваючи в сталі у вигляді окису заліза FeО є шкідливою домішкою, тому що різко знижує механічні властивості стали.

Водень попадає у зварювальну ванну з вологи, що перебуває в повітрі, електродному покритті, іржі на крайках деталей, що зварюються.Частина молекулярного водню залишається у шві у вигляді газових включень і є шкідливою домішкою, тому що приводить до утворення рядів дефектів зварювання – пористості й тріщин у шві й околошовной зоні.

Азотнадходить у зварювальну ванну з навколишнього повітря. Взаємодіючи з металом він утворить нітриди заліза Fe₄N, Fe₂N. Метал шва насичується нітридами, що виділилися із твердого розчину в α-залозі у вигляді тонких включень (нітридних голок). Азот погіршує механічні властивості стали.

Окис вуглецю СО₂, що утворюється при зварюванні стали за рахунок окислювання вуглецю, що втримується в основному й електродному металах, звичайно встигає виділитися з рідкого металу до його застигання. Однак, при підвищеному змісті вуглецю у стали, що зварюється, дроті або в електродах окис вуглецю залишається у шві у вигляді пор.

Метал шва, виконаний незахищеною дугою, має низькі механічні властивості.

Тому для одержання високоякісного металу шва й зварного з’єднання застосовують захист металу.

В якості захисного газу використають вуглекислий газ, аргон, гелій і ін. Захисний газ із балонів подають по шлангах у зону дуги.

Найпоширенішої є газошлаковий захист, що утвориться при розплавлюванні спеціального покриття, нанесеного на електрод, спеціального порошку – флюсу, насипаного шаром певної товщини на місце зварювання або запресованого усередину трубчастого порошкового дроту. У процесі зварювання покриття або флюс плавляться, утворюючи газ, що оточує зону зварювання й шлаки та обволікає краплі розплавленого металу й зварювальну ванну, що перепиняє доступ до них кисню й азоту повітря.