Металургійні процеси при електрошлаковому зварюванні
Процес електрошлакового зварювання (ЕШЗ) відбувається внаслідок виділення тепла при протіканні струму через рідкі шлаки. Це тепло підігріває шлаки і його температура є вищою температури плавлення металу. Внаслідок циркуляції шлаків тепло досить рівномірно розподіляється за об’ємом ванни й розплавляє як крайки металу, так і електродний дріт.
В умовах ЕШЗ джерело тепла є менш концентрованим, ніж дуга. У результаті цього температура реакційної зони виявляється значно нижчою, ніж при дуговому процесі й не перевищує 1700 0С.
У ході зварювання електродний метал, що плавиться, поверхня металевої ванни, а також поверхня основного металу, що оплавляється, весь час активно обмиваються циркулюючими потоками рідкого шлаку й знаходяться в контакті з ним.
Флюси для електрошлакового зварювання повинні мати ряд специфічних властивостей, а саме:
– необхідну електропровідність у рідкому стані, що забезпечує стійкість електрошлакового процесу;
– певну в'язкість розплавленого флюсу, що змінюється зі зміною температури;
– необхідну металургійну активність, що сприяє введенню в метал шва корисних домішок (Mn, Si та ін.), а також більш повному звільненню металу від шкідливих домішок – сірки й фосфору.
Рідкий флюс повинен мати досить високий питомий опір для перетворення електричної енергії в теплову.
Необхідно, щоб в'язкість шлаків була в певних межах. Рідкоплинний і довгий шлак може надходити з ванни в зазори. Надмірно грузлий і “короткий” шлак може викликати віджимання повзунів, що також порушує нормальний хід процесу.
Металургійні процеси при ЕШЗ відрізняються від дугового зварювання такими особливостями:
– у плавильній зоні є відсутньою газова фаза;
– температура в зоні зварювання є нижчою, ніж при дуговому зварюванні;
– змінність шлаку-флюсу є незначною;
– при зварюванні відбувається електроліз шлаків шлакової ванни;
– поверхня шлакової ванни помітно окиснюється киснем повітря.
Через відсутність газової фази основну роль відіграють металургійні процеси між рідкими шлаками й металом.
Найважливішими металургійними реакціями між шлаками й металом є реакції Mn, Si з вуглецем, фосфором і сіркою. На перехід Mn і Si у металеву ванну впливає вміст у шлаку FeО, MnО і SiО2, а також вміст Mn і Si в електродному дроті.
При ЕШЗ перехід Mn і Si буде нижчим, ніж при дуговому зварюванні, особливо якщо флюс – кислий.
Крім того, перехід марганцю й кремнію гальмує збагачення шлаків оксидом заліза FeО. Це виявляється при зварюванні довгих швів внаслідок поступового нагромадження FeО (після виконання частки шва довжиною 150… 200 мм припиняється відновлення кремнію й марганцю зі шлаків). Окисна здатність шлаків при цьому буде збільшуватися, тому реакції почнуть стимулювати окиснення Si і Mn.
Реакція окиснення вуглецю відбувається як за рахунок розчиненого в металі кисню, так і за рахунок оксидів, що втримуються у флюсі:
[C] + (MnО) CO + [Mn];
2[C] + (SiО2) 2CO + [Sі];
[C] + [FeО] CO + [Fe].
За наявності вуглецю в електродному дроті, а також при нагромадженні оксидів заліза в шлаку процес окиснювання вуглецю підсилюється. Однак у всіх випадках окиснювання вуглецю при електрошлаковому зварюванню є нижчим, ніж при дуговому, що пояснюється більш низькими температурами. Щоб реакції окиснювання вуглецю не призвели до пористості зварного шва, у зварювальній ванні слід мати достатню кількість розкиснювачів.
Видалення шкідливих домішок – фосфору й сірки – з металу шва при ЕШЗ не відбувається в необхідному обсязі. Причиною цього є як температурні умови процесу, так і самі флюси, особливо марганцевисті, у шихту яких разом з марганцевою рудою попадають домішки (флюс АН-8). При зварюванні під такими флюсами на початкових ділянках шва спостерігається особливо підвищений перехід фосфору із флюсу в метал. Застосування марганцевистих флюсів типу АН-8 і стандартних електродних дротів не вирішує проблеми десульфурації металу шва. Знизити вміст сірки в металі шва дозволяє використання вапняних шлаків основного типу, що містять CaО. При цьому проведення додаткового розкиснення шлакової ванни збільшує ефект десульфурації металу. За необхідності підсилити процес десульфурації збільшують змінність шлаків шляхом періодичного контакту металу з новими порціями флюсу.
На хід металургійних процесів і хімічний склад металу шва при ЕШЗ істотно впливає рід струму й полярність увімкнення, тому що шлак являє собою електроліт, що складається з іонів металу, кисню й окислів металу.
БІБЛІОГРАФІЧНИЙ СПИСОК
Конспект лекций по дисциплине «Физико-химические и металлургические основы производства конструкционных металлов» для студентов специальности 7.092301 «Технология и оборудование сварки»/ Сост. В.И. Кабацкий. – Краматорск: ДГМА, 2007. – 118 с.
Лифшиц Л.С. Металловедение и термическая обработка сварных соединений / Л.С. Лифшиц, А.Н. Хакимов. – М.: Машиностроение, 1989. – 336 с.
Петров Г.Л. Теория сварочных процессов / Г.Л. Петров, А.С. Тумарев. – М.: Высш. шк., 1997. – 392 с.
Думов С.И. Технология электрической сварки плавлением/ С.И. Думов. – Л.: Машиностроение, 1987. – 461 с.
Квасницький В.В. Спеціальні способи зварювання: навч. посібник/ В.В. Квасницький. – Миколаїв: УДМТУ, 2003. – 437 с.
Квасницький В.В. Теорія зварювальних процесів. Дослідження фізико-хімічних і металургійних процесів та здатності металів до зварювання: навч. посібник / В.В. Квасницький. – Миколаїв: УДМТУ, 2002.
– 181 с.
Косенко А.А. Металлургические основы процессов сварки плавлением и пайки: учеб. пособие: в 2-х т. /А.А. Косенко. – Мариуполь: ПГТУ, 2005. – Т.2. – 168 с.
Николаев Г.А. Специальные методы сварки: учеб. пособие для студентов вузов/ Г.А. Николаев, Н.А. Ольшанский. – 2-е изд., испр. и доп. – М.: Машиностроение, 1975. – 232 с.
Теория сварочных процессов: учеб. / В.Н. Волченко, В.М. Ямпольский, В.А. Винокуров и др. – М.: Высш. шк., 1988. – 559 с.
ЗМІСТ
ВСТУП 3
1 ФІЗИКО-ХІМІЧНІ ПРОЦЕСИ ПРИ ЗВАРЮВАННІ 4
1.1 Загальні відомості 4
1.2 Принципові труднощі, що перешкоджають
утворенню зварних з'єднань 5
1.3 Закономірності атомно-кристалічної будови металів 7
1.4 Сили зв'язку в твердих тілах 10
1.5 Фізико-механічні процеси встановлення міжатомних
зв'язків у зварних з'єднаннях 15
2 МЕТАЛУРГІЙНІ ПРОЦЕСИ ПРИ ЗВАРЮВАННІ
ПЛАВЛЕННЯМ 18
2.1 Особливості металургійних процесів при зварюванні 19
плавленням 19
2.2 Хімічний склад металу шва 19
2.3 Характеристика фаз, що утворюють зварювальну
систему 21
2.3.1 Газова фаза при зварюванні плавленням 22
2.3.2 Шлакова фаза при зварюванні плавленням 23
2.4 Взаємодія металу з газовою фазою 28
2.4.1 Розчинення газів у рідкому металі 28
2.4.2 Окиснювання металу при зварюванні 30
2.4.3 Взаємодія металу з азотом 33
2.4.4 Взаємодія металу з воднем 34
2.5 Взаємодія металу зі шлаковою фазою 36
2.5.1 Розкиснення металу при зварюванні 38
2.5.2 Легування металу шва при зварюванні плавленням 43
2.5.3 Рафінування металу шва при зварюванні плавленням 48
3 МЕТАЛУРГІЙНІ ПРОЦЕСИ ПРИ РІЗНИХ СПОСОБАХ
ЗАХИСТУ ЗОНИ ЗВАРЮВАННЯ 52
3.1 Металургійні процеси при зварюванні
незахищеним електродом 52
3.2 Металургійні процеси при зварюванні в інертних газах 53
3.3 Металургійні процеси при зварюванні у вуглекислому газі 54
3.4 Металургійні процеси при ручному дуговому зварюванні
товстопокритими електродами 57
3.5 Металургійні процеси при зварюванні електродами
руднокислого типу 61
3.6 Металургійні процеси при зварюванні електродами
фтористокальцієвого типу 62
3.7 Металургійні процеси при зварюванні
рутиловими електродами 63
3.8 Металургійні процеси при зварюванні електродами
органічного типу 64
3.9 Металургійні процеси при зварюванні під флюсом 65
3.9.1 Процеси, що відбуваються у газовій фазі 65
3.9.2 Процеси, що відбуваються при контакті рідкого
металу з газовим середовищем 66
3.9.3 Процеси, що відбуваються при контакті рідкого
металу з флюсом 67
3.10 Металургійні процеси при електрошлаковому зварюванні 68
БІБЛІОГРАФІЧНИЙ СПИСОК 71
Навчальне видання
Горлов Олександр Кузьмич
Рогачов Євген Петрович
Лашко Сергій Миколайович
Фізико-хімічні основи технологічних процесів
ЗВАРЮВАННЯ
Частина 1
Редактор В.М. Коваль
Зв.план, 2010
Підписано до друку 27.10.2010
ормат 60х84 1/16. Папір офс. №2. Офс. друк
Ум. друк. арк. 4. Обл.- вид. арк. 4,5. Наклад 150 прим.
Замовлення 363. Ціна вільна
Національний аерокосмічний університет ім. М. Є. Жуковського
„Харківський авіаційний інститут”
61070, Харків-70, вул. Чкалова, 17
http://www.khai.edu
Видавничий центр „ХАІ”
61070, Харків-70, вул. Чкалова, 17
i zdat@khai.edu
|