Металлургия сварки покрытыми электродами

Предложенная Н. Н. Бенардосом сварка металлическими электродами без покрытия, давала очень низкое качество сварных соединений. Плавление стали в дуговом разряде приводило к резкому выгоранию углерода, марганца и кремния и насыщению азотом и водородом.

Благодаря разработке покрытий, плавящихся вместе с электродным металлом, удалось резко повысить качество сварки. Это обеспечивало широкое применение ручной дуговой сварки. Основное ее преимущество – простота оборудования, маневренность и насыщенность сварки в труднодоступных местах.

Электродные покрытия состоят из следующих компонентов:

1. Ионизирующие – соединения щелочных металлов N₂CO₃, K₂CO₃ Пары этих соединений делают устойчивым дуговой разряд.

2. Шлакообразующие – образуют при сплавлении шлаки с различной основностью В. Полевой шпат К₂О, Al₂O₃, 6SiO₂, мрамор или мел СаСО₃, магнезит MgCO₃, глинозем Al₂O₃, флюорит CaF₂, рутил TiO₂, SiO₂ и изредка Fe₂O₃.

3. Газообразующие – при разложении выделяют большое количество газа – мрамор, мел и органические вещества: декстрим, крахмал, целлюлоза. Продукты разложения – СО, СО₂, Н₂, Н₂О.

4. Раскислители и легирующие компоненты – в виде ферросплавов. Ферросплавы лучше растворяются в стали и менее склонны к окислению. Только Ni в виде порошка, т.к. при сварке почти не окисляется.

5. Вяжущие – соединяют остальные компоненты в замес, который напрессовывается на электродный стержень в особых машинах. Пример – жидкое стекло или полимеры.

В зависимости от вида компонентов электроды разбираются на четыре группы:

1. Группа А – кислые покрытия, содержат оксиды железа, марганца, Ti и Si (шлаковая основа). Газовая защита – декстрин, крахмал. Раскислитель – Fe – Si. Пример – марка ЦМ-7.

Электроды группы А дают значительное количество газов, обеспечивая защиту от атмосферного воздуха. Содержание гемитита требует значительного количества Mn (Fe₂O₃ – 33%, Fe-Mn-30%)

}

ОСНОВНЫЕ РЕАКЦИИ

ΔH < 0

(Fe₂O₃) + 3Mn ↔ 3(MnO) + 2Fe

(Fe₂O₃) +Mn ↔ (MnO) + 2[ FeO ]

[ Mn ] + [ FeO ] ↔ (MnO) + Fe

(SiO₂) + 2Mn ↔ 2(MnO) + [ Si ]

Восстановление железа из покрытия увеличивает коэффициент наплавки.

2. Группа Б – основные покрытия на основе СаСО₃ и СаF₂. Газовая зашита – диссоциация мрамора. В качестве раскислителей – Fe-Ti, Fe-Mn, Fe-Si. СаО уходит на образование шлака СаО – CaF₂. Атмосфера содержит СО, СО₂, Н₂, и Н₂О. Пары воды содержатся в покрытии и эти электроды требуют прокалки. При сварке высокопрочных сталей, когда требуется фиксированное содержание углерода (0,02 – 0,05%), СаСО₃ уменьшаются до 20% и увеличивают СаF₂, что позволяет избежать поглощения углерода ванной. Недостаток – слабая устойчивость дуги, требуется постоянный ток обратной полярности. Марки УОНИ 13, МР.

4. Группа Р – рутиловые на основе рутила TiO₂ с добавками полевого шпата и магнезита. Газообразные органические материалы. Для повышения коэффициента наплавки вводится железный порошок. Электроды имеют хорошие технологические свойства.

5. Группа Ц – с органическим покрытием до 50% (целлюлоза). Характерна хорошая газовая защита. Для уменьшения влияния водорода вводятся CaF₂. Отличаются относительно малым весом покрытия.

Легирование металла шва при сварке покрытыми электродами осуществляются следующим способом:

1. Легирование путем введения в покрытие электрода порошков легирующих металлов или чаще феросплавов.

2. Легирование путем восстановления оксидов в составе покрытия. Легко осуществляется для никеля и меди и ограниченно для марганца, хрома, кремния.

3.Легирование через электродный стержень.

Степень легирования зависит от соотношения объемов основного и электродного металла, при этом следует учитывать потери на угар и разбрызгивание и окислительно-восстановительные реакции со шлаком в зоне сварке.

 

Фазовые превращения при сварке

Первичная кристаллизация

Под воздействием термического цикла сварки происходит процесс образования структуры металла, в котором выделяются две стадии:

— первичная кристаллизация при переходе металла из жидкого состояния в твердое;

— вторичная кристаллизация в результате превращений в твердом состоянии.

Первичная кристаллизация является фазовым переходом материала из жидкого в твердое состояние. Термодинамически этот переход обусловлен повышением свободной энергии (F=U-TS) материала с понижением температуры. При температуре ниже критической (Тпл) меньшей свободной энергией обладает вещество в твердом состоянии.

 

 

При критической температуре плавления равновероятно как жидкое, так и твердое состояние. Однако для начала кристаллизации требуется некоторое переохлаждение ΔТ. При кристаллизации протекают одновременно два процесса:

― образование центров кристаллизации или зародышей;

― рост из них кристаллитов.

Образование зародыша возможно, если разность объемной свободной энергии Δf_V больше энергии для образования поверхности зародыша Е_σ. Избыток свободной энергии выделяется в виде скрытой теплоты кристаллизации.

В чистых металлах при идеализированной кристаллизации имеет место гомогенная кристаллизация, когда зародыши образуются из флуктуаций жидкой фазы. Для гомогенной кристаллизации требуется достаточно большое переохлаждение. В реальных условиях сварки преобладает гетерогенный тип кристаллизации при малых переохлаждениях, когда готовыми центрами кристаллизации служат оплавленные зерна основного металла, а также тугоплавкие частицы в расплаве.

Кристаллизация при сварке имеет направленный характер, обусловленный отводом тепла в основной металл. В результате в сварном шве образуются столбчатые кристаллиты, растущие от поверхности оплавленного основного металла к центру шва.

 

 

Рост кристаллитов происходит прерывисто вследствие периодического образования у фронта кристаллизации со стороны жидкой фазы термического переохлаждения или зон кристаллизационного переохлаждения.

В чистых металлах после затвердевания некоторого объема металла выделившаяся скрытая теплота кристаллизации отводится как в жидкую, так и в твердую фазу. В результате на кривой действительной температуры появляется пик и процесс кристаллизации останавливается.

 

 

По мере отвода тепла с удалением источника энергии температура жидкой фазы становится ниже температуры плавления и образуется зона термического переохлаждения протяженностью х_Т. Происходит быстрый рост твердой фазы и далее процесс повторяется.

 

 

Величина х_Т зависит от величин скрытой теплоты кристаллизации, градиента температур, теплопроводности металла и условий теплоотдачи в окружающую среду. В зависимости от величины х_Т возможны плоский, ячеистый или дендритный типы первичной кристаллизации.

При малых х_Т ФК квазиплоский, при росте х_Т происходит потеря устойчивости плоского ФК с образованием выступов. При достаточно больших х_Т образуются оси роста кристаллитов второго и больших порядков, т.е. ФК разветвляется с образованием дендритов.

Закономерности кристаллизации сплавов определяются концентрационным переохлаждением. Его появление обусловлено диффузионным перераспределением примесей у ФК и скоплением их в жидкой фазе вследствие лучшей растворимости по сравнению с твердой фазой. В результате в зоне концентрационного уплотнения протяженностью δ_к имеет место понижение температуры ликвидуса Т_L. Величина δ_к определяется соотношением

δ_к = D/Vкр,

где D – коэффициент диффузии,

Vкр – скорость кристаллизации.

С

Протяженность зоны концентрационного переохлаждения х_к определяется в зависимости от распределений действительной температуры Тд вблизи ФК и температуры ликвидуса Т_L.

 

Влияние х_к на тип структуры аналогично закономерностям для х_Т.

Схема кристаллизации сварных швов

В результате воздействия сварочного источника теплоты свариваемый металл расплавляется, образуя сварочную ванну. Сварочная ванна перемещается вместе с источником теплоты. После кристаллизации образуется сварной шов. Площадь поперечного сечения шва условно делится на площади наплавки F_н и проплавления F_пр.

 

Очертания зоны проплавления оцениваются коэффициентами формы проплавления ψ_пр=b/h и полноты проплавления μ_пр=F_пр /bh.

Глубина и форма зоны проплавления зависят от мощности и концентрации источника.

 

 

Кристаллизация при сварке имеет следующие особенности:

1. Наличие центров кристаллизации в виде зерен основного металла по границе сплавления.

2. Одновременный с кристаллизацией ввод теплоты от источника, скорость движения которого определяет скорость фронта кристаллизации.

3. Малый объем и время существования ванны, большие скорости роста кристаллитов.

4. Значительный градиент температур в ванне, большой перегрев металла в центре шва.

5. Интенсивное перемешивание расплавленного металла.

6. Воздействие на кристаллизующийся металл термодеформационного цикла сварки.

Пространственный ФК широкого класса сварочных ванн можно описать уравнением эллипсоида

где i,p и h – длина, полуширина и глубина ФК.

 

Для точечного источника на поверхности полубесконечного тела

Направление роста кристаллитов всегда нормально к ФК. Т.к. сварочная ванна перемещается, то ось кристаллитов является ортогональной траекторией к семейству фронтов кристаллизации.

 

 

Под влиянием конкретных условий сварки в различных областях шва могут быть получены различные типы первичной структуры – столбчатая или дендритная, а также промежуточные варианты.

Наиболее важные параметры, влияющие на первичную структуру – скорость кристаллизации v_кр и градиент температуры gradT. Градиент температуры можно повысить, увеличив тепловую мощность или понизить за счет предварительного подогрева. Скорость кристаллизации пропорциональна скорости сварки.

Градиент температуры и скорость кристаллизации обобщаются критерием

.

 

 

Характер структуры зависит от критерия Ф и концентрации примеси С

 

Структуры со столбчатыми кристаллитами вызывают анизотропию свойств и в некоторых направлениях возможно ослабление механических свойств. Более предпочтительна равновесная структура.

Подавление столбчатой структуры с целью получения равновесной осуществимо следующими способами:

1. Введение элементов модификаторов (титан, РЗМ) с целью создания в объеме сварочной ванны дополнительных центров кристаллизации.

2. Введение элементов, образующих избыточные фазы в твердом растворе (карбиды, α – фаза).

3. Воздействие на ванну ультразвуковых, механических, электромагнитных колебаний.

4. Термомеханическая обработка сварных швов.

Химическая неоднородность сварных соединений

Формирование сварного соединения сопровождается диффузионными процессами между твердой и жидкой фазами, которые приводят к перераспределению химических элементов. По мере увеличения количества затвердевшего металла состав остающегося сплава непрерывно меняется. Содержание примесей в различных участках шва может быть различно, что приводит к изменению прочностных свойств. Рассмотрим процесс кристаллизации сплава с содержанием в расплаве Со примесного элемента в интервале температур Т₀ – Т₂. Сплав может образовывать твердый раствор.

 

В начальный момент затвердевания состав твердой фазы соответствует точке Во на линии солидуса, причем С_т0 < С₀. Т.К. твердая фаза обеднена компонентом примеси, то при дальнейшем охлаждении жидкая фаза обогащается по линии ликвидуса и при окончании затвердевания последние порции жидкой фазы будут иметь концентрацию, соответствующую точке А₂.

Итак, вследствие того, что твердая фаза всегда обеднена легирующим компонентом, на межфазной границе образуется слой жидкости, обогащенной примесью – образуется концентрационное уплотнение.

При замедленном затвердевании вследствие диффузии и конвективных процессов избыток примеси отводится от межфазной границы и состав твердой и жидкой фазы выравнивается.

В реальных условиях сварки диффузия в твердую фазу незначительна и полного выравнивания концентраций не происходит. В последних порциях жидкости концентрация примеси может приблизиться к эвтектической. Оттесняемые гранями растущих кристаллитов, последние порции жидкости образуют межзеренные прослойки.

Неоднородность по химическому составу вследствие процесса неравномерной кристаллизации называется ликвацией. Наличие ликвационных зон с увеличенной концентрацией примеси при водит к существенному снижению температуры конца затвердевания. Распределение примеси характеризуется коэффициентом распределения К = Ст/Сж. Для большинства сплавов К меньше единицы.

Различают следующие виды химической неоднородности сварных швов:

1. Внутрикристаллитная – проявляется как различное содержание примеси в последовательно кристаллизующихся точках кристаллита.

		C1<C2<C3

 

 

Для практики наибольший интерес представляют последние стадии кристаллизации с минимальной температурой солидуса, т.к. именно эта температура определяет температурный интервал хрупкости.

2. Межкристаллитная неоднородность – определяется как соотношение концентраций в центре и пограничной зоне кристаллитов. В пограничной зоне между кристаллитами резко возрастает степень химической неоднородности вплоть до образования новой фазы.

3. Сегрегация примесей – перераспределение примесей в твердой фазе в результате диффузионных процессов. Примеси концентрируются по границам зерен, ухудшая механические свойства металла шва и околошовной зоны.