Какие химические примеси снижают пластические свойства сварного шва

Источник

СЛАЙД 25 Рассмотрим влияние «вредных» примесей на качество сварных соединений, к которым относятся сера, фосфор, кислород, азот, водород, а в некоторых случаях и углерод.

Сера всегда является вредной примесью при сварке металлов, так как она образует относительно легкоплавкие эвтектики Ме-МеS,что создает возможность образования «горячих» или кристаллизационных трещин в металле шва. Ее содержание в металле и в сварочных материалах всегда следует жестко лимитировать.

Снижение вредного влияния серы достигается ее переводом из сульфидов железа в сульфиды с более высокой температурой плавления (MnS; Tпл=1883 К; CaS; Тпл=2273 К), с тем чтобы она не могла участвовать в процессе кристаллизации, образуя неметаллические включения, еще в жидком металле сварочной ванны (Тпл=1800 К).

Это достигается при введении в сварочную ванну достаточного количества марганца. Кальций вводят в металл ванны в виде силикокальция через электродные покрытия или порошковую проволоку.

Общее снижение содержания серы в металле при сварке возможно при сильно основных шлаках. Бескислородные фторидные флюсы также способствуют удалению серы из металла в результате образования летучих фторидов металла (FeF2, FeF3) и твердых сульфидов:

CaF2+FeS→CaS+FeF2↑.

Сера хорошо удаляется при электрошлаковой сварке и переплаве металлов.

СЛАЙД 26 Фосфор является вредной примесью в металлах, снижающей их пластичность. Так, при кристаллизации стали фосфор образует ряд соединений с железом (Fe3P, Fe2P, FeP и FeP2), отличающихся своей хрупкостью, кристаллы которых могут стать зародышами холодных трещин. Содержание фосфора в металле шва при дуговой сварке понизить практически не удаётся, так как он удаляется в окислительных шлаках, а сварочные шлаки – восстановительные. Концентрация фосфора в шве значительно снижается при электрошлаковой сварке.

СЛАЙД 27 Кислород вредная примесь в металле при сварке, снижающая пластические свойства металла, поэтому при всех видах сварки предусматривается процесс раскисления металла шва до допустимой нормы. Однако при сварке конструкционных сталей следует сохранять некоторую окисленность металла для уменьшения растворимости водорода.

СЛАЙД 28 Азот поглощается металлом сварочной ванны из атмосферы дугового промежутка, в котором он находится, в основном, в атомарном и частично в ионизированном состояниях. Растворимость азота в жидком металле выше, чем в твердом, и в процессе кристаллизации металла шва он может выделяться в газообразном состоянии, образуя поры.

При кристаллизации металла сварочной ванны азот образует почти со всеми металлами соединения – нитриды различной степени устойчивости. Нитриды железа Fe4N, Fe2N образуют очень хрупкие игольчатые кристаллы, разрушение которых приводит к зарождению холодных трещин (замедленное разрушение). Из промышленных металлов только медь не дает устойчивых нитридов и поэтому ее можно сваривать в атмосфере азота.

Однако азот не всегда представляет собой вредную примесь и в некоторых сталях аустенитного класса содержание его доводят до 0,3 – 0,4 %.

СЛАЙД 29 Водород является вредной примесью, которая вызывает «водородную хрупкость». Источники водорода при сварке металлов:

· водород, поглощенный металлом из атмосферы дугового заряда;

· водород, растворенный в основном металле.

Водород, поглощенный из атмосферы дугового заряда, в котором он находится в атомарном и ионизированном состояниях, при кристаллизации резко понижает свою растворимость, и выделяясь из металла, вызывает возникновение пор и трещин.

Водород, содержащийся в основном металле, может находиться в состоянии твердого раствора внедрения – диффузионно-подвижный водород, а также находиться в связанном состоянии – гидридный водород. Водород в молекулярном состоянии находится в микронесплошностях металла.

Диффузионно-подвижный водород может перемещаться в металле в результате концентрационной или термической диффузии, создающейся вследствие градиента температур.

В результате образования сварного соединения в условиях высоких градиентов температур возникает неравномерная концентрация водорода, которая может быть устранена последующей термической обработкой.

Для металлов, не образующих гидридов, максимальная концентрация водорода наблюдается вблизи линии сплавления, а для гидридообразующих – в зоне термического влияния. Таким образом, при средней относительно небольшой концентрации водорода в металле в сварном соединении возникают опасные зоны повышенной хрупкости.

СЛАЙД 30 Способами снижения содержания водорода в зоне сварки являются частичное окисление атмосферы в сварочной зоне (сварка в СО2, использование электродов с руднокислыми покрытиями), снижение парциального давления водорода и создание условий для уменьшения растворимости водорода в жидком металле сварочной ванны (введение во флюсы и покрытия CaF2, фторидов и хлоридов) в целях связывания водорода в прочные соединения, не растворяющиеся в жидком металле (HF, HCl).

Необходимо проводить тщательную подготовку кромок под сварку, удаляя частично гидратированные оксидные пленки на металле, уменьшать содержание водяных паров в атмосфере дуги путем высушивания защитных газов, прокаливать электродные покрытия и сварочные флюсы перед сваркой.

СЛАЙД 31 Содержание углерода стараются сохранить при сварке низколегированных сталей до 0,25 %. Но углерод представляет собой вредную примесь при сварке специальных сталей и жаропрочных сплавов. Содержание углерода в них должно быть не более 0,03…0,06 %.

В результате взаимодействия с углеродсодержащими веществами в сварочных материалах (СаСО3 и т.д.) содержание углерода при сварке может подняться выше допустимых пределов.

СЛАЙД 32 Содержание вредных примесей в металле сварного шва регулируется составом металла электродов и проволоки, составом шлака и покрытия электродов, а также защитой зоны сварки от взаимодействия с окружающей средой.

Источник

ТЕОРИЯ сварочных процессов

Выше (см. гл. 9) уже рассмотрено поведение отдельных компонентов сплавов и их влияние на качество получаемого металла шва. Однако в заключение надо сделать обобщение влияния на качество сварных соединений, так называемых «вредных» примесей, к которым относятся сера, фосфор, кисло­род, азот, водород, а в некоторых случаях н углерод.

Сера — всегда вредная примесь при сварке металлов, так как она образует относительно легкоплавкие эвтектики Me — — MeS, что создаст возможность образования «горячих» или кристаллизационных трещин в металле шва. Ее содержание в металле и в сварочных материалах всегда следует жестко лими­тировать.

Снижение вредного влияния серы достигается ее переводом из сульфидов железа в сульфиды с более высокой температурой плавления (MnS; Гпл=1883 К; CaS; Г„л= 2273 К), с тем чтобы она не могла участвовать в процессе кристаллизации, образуя неметаллические включения, еще в жидком металле сварочной ванны (Гпл=1800 К).

Это достигается при введении в сварочную ванну достаточно­го количества марганца. Кальций вводят в металл ванны в виде силикокальция через электродные покрытия или порошковую проволоку.

Общее снижение содержания серы в металле при сварке возможно при сильно основных шлаках. Бескислородные фто – ридные флюсы также способствуют удалению серы из металла в результате образования летучих фторидов металла (FeF2, FeF3) и твердых сульфидов:

CaFs + FeS-^CaS + FeFst.

Сера удаляется при электрошлаковой сварке и переплаве металлов.

Фосфор — почти всегда вредная примесь в металлах, снижа­ющая их пластичность. Так, при кристаллизации стали фосфор образует ряд соединений с железом (БезР, Fe2P, FeP и FeP2), отличающихся своей хрупкостью, кристаллы которых могут стать зародышами холодных трещин. Содержание фосфора в металле шва при дуговой сварке понизить практически не удает­ся, так как он удаляется в окислительных шлаках, а сварочные шлаки — восстановительные. Концентрация фосфора в шве снижается только при электрошлаковой сварке.

При сварке медных сплавов фосфор не представляет собой вредную примесь, так как он способен раскислять металл, обра­зуя летучий оксид Р2О5:

5Cu20 + 2Cu3P-> 16Cu + P205f.

Кислород — вредная примесь в металле при сварке, снижаю­щая пластические свойства металла, поэтому при всех видах сварки предусматривается процесс раскисления металла шва до допустимой нормы. При сварке металлов высокой активности (Al, Ti, Zr) следует создавать бескислородную атмосферу — аргон, гелий, вакуум, галидные флюсы, так как раскислителей для таких металлов подобрать нельзя.

Однако при сварке конструкционных сталей следует сохра­нять некоторую окисленность металла для уменьшения раство­римости водорода.

Азот поглощается металлом сварочной ванны из атмосферы дугового промежутка, в котором он находится в основном в атомарном и частично в ионизированном состояниях. Раствори­мость азота в жидком металле выше, чем в твердом, и в процессе кристаллизации металла шва он может выделяться в газообраз­ном состоянии, образуя поры.

При кристаллизации металла сварочной ванны азот образует почти со всеми металлами соединения — нитриды различной степени устойчивости (см. рис. 9.33). Особенно устойчивые нитриды образуют ^-металлы IVB, VB, VIB групп периоди­ческой системы. Нитриды железа Fe4N, Fe2N образуют очень хрупкие игольчатые кристаллы, разрушение которых приводит к зарождению холодных трещин (замедленное разрушение). Из промышленных металлов только медь не дает устойчивых нитридов и поэтому ее можно сваривать в атмосфере азота (см. п. 10 3).

Однако азот не всегда представляет собой вредную примесь и в некоторых сталях аустенитного класса содержание его доводят до 0,3…0,4%.

Водород при сварке — всегда вредная примесь («водородная хрупкость»).

Источники водорода при сварке металлов: 1) водород, по­глощенный металлом из атмосферы дугового разряда, и 2) водо­род, растворенный в основном металле.

Водород, поглощенный из атмосферы дугового разряда, в которой он находится в атомарном и в ионизированном состоя­ниях, при кристаллизации резко понижает свою растворимость и, выделяясь из металла, вызывает возникновение пор и трещин.

Водород, содержащийся в основном металле, может нахо­диться в состоянии твердого раствора внедрения — диффузион­но-подвижный водород, а также находиться в связанном состоя­нии — гидридный водород. Водород в молекулярном состоянии находится в микронесплошностях металла.

Диффузионно-подвижный водород может перемещаться в ме­талле в результате концентрационной или термической диффу­зии, создающейся вследствие градиента температур. Последний вид диффузии описывается уравнением

dm = -Dc04^^Sdt, (10.17)

RTZ dy

[Н],% a) . . – s.

0,030

0,026 0,022 0,01b 0,014 0,010 0,000 0,002

12 8 4 0 4 8 у, MM 30 20 10 0 10 20 y, HM

Рис 10 18 Распределение водорода в титане (а) и в меди (б) после сварки

где D — коэффициент диффузии, зависящий от температуры; Со — исходная концентрация водорода; АН — разность энтальпий

dT

растворения водорода в данном металле; градиент тем­ператур; S — сечение потока диффузии; t — время.

Если АН>0 (для А1; Си; Fe и др.), то направление потока термодиффузии противоположно потоку теплоты, что характерно для металлов, не образующих гидридов, у которых раствори­мость растет с повышением температуры. Если ДЯ<0 (Ті; Zr; V; Nb и др.), то направление потока термодиффузии совпадает с направлением потока теплоты, что характерно для гидридо­образующих металлов. В результате образования сварного сое­динения в условиях высоких градиентов температур возникает неравномерная концентрация водорода, которая может быть уст­ранена последующей термической обработкой. Примеры распре­деления концентраций водорода после сварки приведены на рис. 10.18, а, б.

Как видно из приведенных графиков, для металлов, не об­разующих гидридов, максимальная концентрация водорода на­блюдается вблизи линии сплавления (штриховые линии на рисун­ке) , а для гидридообразующих — в зоне термического влияния. Таким образом, при средней относительно небольшой концентра­ции водорода в металле в сварном соединении возникают опас­ные зоны повышенной хрупкости.

К основным путям снижения содержания водорода в зоне сварки относятся: частичное окисление атмосферы в сварочной зоне (сварка в С02, использование электродов с руднокислыми покрытиями), снижение парциального давления водорода н соз­дание условий для уменьшения растворимости водорода в жид­ком металле сварочной ванны (введение во флюсы и покрытия CaF2, фторидов и хлоридов) в целях связывания водорода в прочные соединения, не растворяющиеся в жидком металле

(HF, HC1). Рекомендуется также проводить тщательную под­готовку кромок под сварку, удаляя частично гидратированные оксидные пленки на металле, уменьшать содержание водяных паров в атмосфере дуги путем высушивания защитных газов (С02, Аг), прокаливать электродные покрытия и сварочные флюсы перед сваркой.

Углерод, содержание которого стараются сохранить при сварке конструкционных низколегированных сталей, представля­ет собой вредную примесь при сварке специальных сталей и жаропрочных сплавов, в которых содержание углерода должно быть малым [(0,03.. 0,06%) С]

В результате взаимодействия с углеродсодержащими вещест­вами в сварочных материалах (СаСОз и т. д.) содержание углерода при сварке может подняться выше допустимых преде­лов.

Чтобы решить дифференциальное уравнение теплопроводно­сти, необходимо задать распределение температур в начальный момент времени (начальное условие) и условия взаимодействия тела с окружающей средой на его границах (граничные условия). Начальное условие определяется …

На современном уровне развития математики аналитическое решение уравнения теплопроводности в общем виде (5.21) еще не найдено, однако при введении некоторых допущений и упрощений можно получить пригодные для практического использования ча­стные …

Сложный процесс изменения температуры точек тела с коор­динатами jc, у, z во времени t описывается дифференциальным уравнением теплопроводности. Для вывода этого уравнения необ­ходимо рассмотреть баланс теплоты в некотором элементарном объеме …

Источник