Металургійні процеси при зварюванні

Металургійні процеси при зварюванні протікають у зоні формування зварювальної ванни. Металургію зварювання характеризують певні фізичні та хімічні реакції, які визначаються взаємодією сплаву, що плавиться, з зварювальними спецфлюсами, що формуються в результаті зварювання шлаками і газами. Додатково у процесі проведення зварювання відбуваються реакції, пов'язані зі зниженням температури розплавленого сплаву та кристалізацією металу зварювальної ванни.

Процес плавлення металу при скріпленні деталей з використанням спеціального інструменту називається зварюванням.

Фізичні та хімічні реакції, пов'язані зі змінами в металі, відбуваються на всіх етапах здійснення дугового електрозварювання. Основними етапами дугового електрозварювання є:

плавлення електрода, що використовується в процесі електрозварювання;
перехід крапель металу через електродуговий проміжок;
попадання зварювального металу у зварювальну ванну.

Схема дугового зварювання.

На відміну від реакцій загальної металургії, що протікають у сталеплавильних агрегатах, умови плавлення металевої заготівлі та протікання всіх реакцій при електродуговому зварюванні сильно відрізняються цілим комплексом особливостей. Ці особливості впливають в розвитку плавлення і кінцевий результат. Основні особливості металургійних процесів при зварюванні такі:

невеликий обсяг зони плавлення;
високі температурні показники та перегрів розплавлених компонентів у ванні;
переміщення розплавленого сплаву, його перемішування та оновлення;
висока швидкість зниження температури та кристалізації компонентів, що входять до складу зварювальної ванни.

За таких умов відбувається інтенсивна взаємодія між компонентами металу.

Реакції, що виникають під час проведення електродугового зварювання

Серед величезної кількості реакцій, що протікають у процесі здійснення електрозварювальних робіт, основними є:

Схеми руху електрода при ручному дуговому зварюванні.

дисоціація газів і хімсполук, що утворюються;
окиснення розплавленого металу;
розкислення компонентів металу;
розкислення під впливом марганцю;
розкислення під впливом кремнію;
розкислення під впливом титану;
розкислення під впливом вуглецю;
взаємодія із газоподібним азотом;
хімвзаємодія з воднем;
взаємодія із сіркою та фосфором.

Всі ці хімпроцеси, що відбуваються при зварюванні плавленням, тією чи іншою мірою впливають на якість зварного з'єднання.

Характеристика реакцій при дуговому зварюванні

При дисоціації здійснюється розпад складних компонентів окремі атоми чи складові. Виникненню дисоціації сприяє високий температурний режим у зоні проведення зварювання та каталітична дія металевого розплаву. При проведенні електродугового зварювання дисоціації піддаються молекули різних газів: кисню, водню та азоту, додатково відбувається розпад вуглекислого газу, водяної пари та деяких інших.

Залежно від умов проведення електродугового зварювання, одержувані при дисоціюванні молекул водяної пари компоненти можуть відновлювати, так і окислювати компоненти сплаву, присутні в зварювальній ванні.

, Присутня у складі флюсу, також піддається розпаду. Виходить вільнийатом фтору зв'язує атоми водню, перешкоджаючи його розчиненню.

Принцип газового зварювання.

Окислення металевих компонентів відбувається під впливом газів, які у процесі зварювання переходять у атомарний стан. Насамперед процес окислення величезний вплив надає атомарний кисень, одержуваний з молекулярного, що входить до складу атмосфери, окислення металу знижує його якість. Додатково окислювати атоми металу можуть пари води, які у результаті дисоціації утворюють атомарний кисень. Отримуваний при окисленні окис двовалентного заліза, розчиняючись у розплаві, різко знижує його фізвластивості. При проведенні дугового зварювання окисленню піддаються практично всі компоненти, що входять у сталь заготовки, оброблюваної.

Застосовуваний під час проведення роботи не завжди дозволяє уникнути окислення, тому поліпшення якості шва проводять розкислення компонентів сплаву. Розкислення є відновлювальним процесом, при якому здійснюється відновлення заліза, що міститься в електрозварювальній ванні. Утворений при розкисленні кисень перетворюється на металі в нерозчинні хімсоединения. Як спецрозкислювач застосовується марганець, кремній, титан, алюміній і вуглець. Розкислювачі вводяться в зону зварювання через дріт, покриття електрозварювальних електродів та флюси.

Взаємодія з азотом в атомарному стані виникає в процесі розпаду молекулярного газу при попаданні в електрозварювальну дугу. Це веде до синтезу нітридів, які погіршують якість.

Взаємодія із сіркою та фосфором знижує якість електрозварювального шва в області зварювання.

Фізико-хімічні реакції, що відбуваються під час проведення газозварювання

Металургійні процеси пригазовому зварюванні повністю залежать від складу сплаву, що вводяться в розплав добавок та складу газового полум'я.

Способи та режими газового зварювання: А - ваннами; Б - по відбірних кромках.

Під час проведення газового зварювання здійснюється взаємодія розплавлених компонентів сплаву, що у зварювальній ванні з полум'ям газового пальника. Реакції, що відбуваються при взаємодії, повністю визначаються фізичними та хімічними властивостями металевого розплаву та складом полум'я пальника. Зварювання здійснюється у відновному секторі факела, що складається з оксиду вуглецю та водню. Різні компоненти по-різному реагують із полум'ям факела. Найлегше відбувається окислення компонентів розплаву, які мають велику спорідненість до кисню. Окислення здійснюється за рахунок участі оксидів, що входять до складу основного металу та присадного дроту, додатково на швидкість окислення впливає кисень атмосферного повітря. При збільшенні концентрації кисню відбувається зниження якості зварного шва та погіршення його мехвластивостей. Для зниження впливу окислювачів під час проведення газозварювальних робіт у присадки вводяться спеціальні хімсполуки — розкислювачі.

Розкислювачі є хімречовини, що мають більшу спорідненість до кисню, ніж компоненти основного розплаву, з якого формується електрозварний шов. При проведенні зварювання сталі розкислювальною дією має вуглець, оксид двовалентного вуглецю та водень, які утворюються у процесі горіння зварювального полум'я. Це дозволяє проводити зварювання вуглецевих сталей без використання флюсів.

Утворений під час проведення зварювання оксид двовалентного вуглецю викликає кипіння розплаву. Під час кипіння відбуваєтьсявидалення небажаних включень із розплаву. При здійсненні кипіння у момент кристалізації утворюються бульбашки, що знижує якість газозварювання. Для зменшення цього ефекту вводяться марганець та кремній.

Вплив хімскладу газозварювального полум'я на окисно-відновлювальні реакції

Склад газозварювального полум'я дуже впливає на хімічні та фізичні процеси, що відбуваються в розплаві при проведенні газозварювання. У складі нормального ацетиленокисневого полум'я в середній частині, що має відновне середовище, міститься 60% оксиду двовалентного вуглецю і по 20% молекулярного і атомарного водню. Основним відновником заліза є водень у атомарному стані. Окисли кремнію і марганцю, що утворюються при газозварюванні, не проникають у рідкий метал, а спливають на його поверхні, перетворюючись на шлак. У рідкому розплаві міститься велика кількість різних оксидів, які взаємодіють між собою. Результатом таких взаємодій є формування хімічних сполук із низькою температурою плавки, що дозволяє значно легше видалити оксиди зі складу розплаву газозварювальної ванни. Окиси видаляються у вигляді різних шлаків.

При проведенні газозварювання латуні, міді або алюмінію до зони зварювання вводяться різні добавки. Розкислення проводиться вуглецем, оксидом двовалентного вуглецю та воднем. При проведенні зварювання полум'я забезпечує відновлення металу та захист розплаву від кисню та азоту атмосфери.