МЕТАЛУРГІЙНІ ПРОЦЕСИ ПРИ ЗВАРЮВАННІ
ПЛАВЛЕННЯМ
Під терміном «металургійні процеси» розуміють високотемпературні явища взаємодії фаз, які супроводжують одержання металу.
Це процеси розплавлення й затвердіння металу, при яких відбувається зміна його хімічного складу й кристалічної будови, перехід з однієї фази в іншу. Ці процеси можуть бути реакціями переходу, заміщення й розподілу елементів між фазами.
Процеси зварювання плавленням обов'язково містять фазу нагрівання основного й присадного металів до їхнього розплавлення з наступним охолодженням і затвердінням. У зв'язку з цим взаємодія фаз спершу йде в умовах підвищення, а потім зниження температури. Ця взаємодія може бути ендотермічною, що проходить з поглинанням теплоти, або екзотермічною, що супроводжується виділенням теплоти. Підвищення температури підсилює ендотермічні процеси й послабляє екзотермічні. При зниженні температури відбувається протилежний процес.
При сталих умовах (температура, тиск та ін.) реакції взаємодії фаз із часом прагнуть досягти рівноважного стану, при якому швидкості проходження цих реакцій в одному напрямку дорівнюють швидкостям їхнього проходження в протилежному. Рівновага реакцій взаємодії фаз залежить від температури. Через те, що температура в зоні зварювання постійно змінюється, реакції взаємодії фаз можуть змінювати як напрямок свого проходження, так і стан фаз. При цьому рівновага між реагуючими речовинами, як правило, не встигає встановлюватися.
-
Особливості металургійних процесів при зварюванні
плавленням
Зварювання також є металургійним процесом, але відрізняється від інших подібних процесів такими особливостями:
– відбувається при високій температурі нагрівання;
– здійснюється з великою швидкістю;
– характеризується дуже малими обсягами нагрітого й розплавленого металу;
– при зварюванні тепло швидко відводиться від розплавленого металу зварювальної ванни в прилеглі до неї зони твердого основного металу;
– на розплавлений метал у зоні зварювання інтенсивно впливають гази й шлаки, що його оточують;
– у ряді випадків для утворення металу шва використовується присадний метал, хімічний склад якого може значно відрізнятися від складу основного металу;
- у зварювальній ванні розплавлений метал енергійно безперервно фізично й хімічно взаємодіє з навколишнім середовищем, захисною газовою атмосферою, шлаками, основним металом.
-
Хімічний склад металу шва
Метал шва в загальному випадку при зварюванні електродом, що плавиться, або застосуванні металевих присадок (дроту, порошку й ін.) утвориться в результаті перемішування у ванні основного і електродного (присадного) металів.
Частку основного металу у шві, що залежить від виду з'єднання (з обробленням і без нього), типу й режиму зварювання, можна визначити з відношення площі F0, зайнятої основним металом у поперечному перетині шва, до всієї його площі F0 + Fел (рис. 4).
П
Рисунок 4 – Площі проплавлення F0 і наплавлення Fел для різних типів зварних з’єднань
ри ручному дуговому зварюванні покритим електродом частка основного металу у шві становить: 0,15…0,40 – при наплавленні валиків; 0,25…0,50 – при зварюванні кореневих швів; 0,25…0,60 – при зварюванні під флюсом.
Хімічний склад металу шва і його властивості залежать від складу й частки участі у формуванні шва основного й електродного (присадного) металів, а також реакцій, що відбуваються в процесі зварювання. На хід та інтенсивність цих реакцій впливають, головним чином, навколишнє середовище, ступінь захисту розплавленого металу від повітря, склад навколишніх газів і шлаків, режим зварювання.
За відсутності хімічних реакцій у зоні зварювання кількість будь-якого елемента в металі шва (Mш) може бути знайдена за формулою
Мш = М0 + Мел(1-),
де М0, Мел – вихідний вміст елемента в основному і електродному металі; – частка основного металу.
У випадку хімічних реакцій розплавленого металу з газами, покриттями, шлаковою ванною склад металу шва визначають з урахуванням коефіцієнтів переходу, що показують, яка частка металу, що міститься в електродному дроті, переходить в метал шва:
Мш = М0 + nМел(1-),
де n – коефіцієнт переходу, він змінюється в широких межах (0,3…0,95) залежно від хімічної активності елемента, виду зварювання, технології зварювання й ін.
Хімічні реакції взаємодії розплавленого металу з газами при застосуванні певних засобів захисту називають зварювальними металургійними реакціями.
Таблиця 2 – Коефіцієнт переходу деяких елементів при різноманітних засобах зварювання
Вид дугового
зварювання
|
Легуючі елементи
|
С
|
Mn
|
Si
|
Cr
|
Зварювання без захисту:
дріт марки Св 08А;
дріт марки Св 18ХГСА
|
0,3...0,4
0,29...0,34
|
0,39...0,56
0,63...0,69
|
0,5...0,87
|
0,9...0,95
|
Зварювання в середовищі СО2:
дріт марки Св 12Х19Н9Т
дріт марки Св 18ХГСА
|
0,8
|
0,78
0,8
|
0,78
0,81
|
0,94
0,94
|
Зварювання в середовищі Ar + 5%O2:
дріт марки Св 18ХГСА
дріт марки Св 10ГС
|
0,6
0,59
|
0,69
0,41
|
0,71
0,32
|
0,92
|
Зварювання електродами марки УОНИ 13/45
|
|
0,45...0,55
|
0,14...0,27
|
|
Виділяють дві основні зони або стадії взаємодії розплавленого металу з газами й шлаками: торець електрода з краплями, що утворюються на ньому, і зварювальну ванну. Повнота металургійних реакцій залежить від температури, часу взаємодії, стану (площі) й концентрації реагуючих речовин. Характерні умови металургійних реакцій при зварюванні, як і при кристалізації, – висока температура нагрівання, відносно малий обсяг металу, який розплавляють, короткочасність процесу.
Середня температура крапель електродного металу, що надходять у ванну, зростає зі збільшенням щільності струму й становить при зварюванні сталей від 2200 до 2700 °С, тобто характеризується значним перегрівом. Температура зварювальної ванни при дуговому зварюванні також характеризується значним перевищенням температури плавлення, перегрів становить 100…500 °С. Висока температура сприяє значній швидкості реакцій завдяки високій швидкості охолодження.
|