Защитные газы изолируют сварочную ванну от атмосферного воздействия, поэтому металлургические процессы протекают только между элементами, содержащимися в основном и присадочном металлах. Наиболее эффективными являются инертные газы – аргон и гелий.
Роль активного газа СO сводится к оттеснению от сварочной ванны окружающего воздуха, и в первую очередь азота. Кроме того, при высоких температурах углекислый газ диссоциирует с выделением кислорода, который, в свою очередь, окисляет металл. В связи с этим в сварочную проволоку вводят раскислители, такие как марганец и кремний. Другим следствием влияния кислорода является резкое снижение поверхностного натяжения, что приводит, среди прочего, к более интенсивному разбрызгиванию металла, чем при сварке в аргоне или гелии.
Защитная роль газов и флюсов значительно повышается при тщательной зачистке свариваемых кромок, где могут быть посторонние элементы, влияющие на происходящие в сварочной ванне химические процессы.
Защитные средства (флюсы, электродные покрытия и т. д.) под воздействием высоких температур, поддерживаемых в зоне сварки, плавятся, образуя шлак. Покрывая сплошной пленкой сварочную ванну, шлак изолирует расплавленный металл от атмосферных газов, сдерживая металлургические реакции.
Кроме того, при взаимодействии с жидким металлом расплавленные флюсы меняют состав сварочной ванны. К примеру, флюсы, содержащие в своем составе марганец и кремний, способствуют процессу восстановления этих веществ и частично препятствуют окислению углерода, что снижает вероятность образования в металле шва пор.
В нейтрализации отрицательного влияния серы, фосфора и других веществ участвует марганец, содержащийся в флюсах и покрытиях. Он является более активным элементом, чем свариваемый металл, и, вступая в реакцию с сульфидом железа FeS, образует менее растворимый сульфид марганца MnS, вызывая перераспределение серы из расплавленного металла в шлак и предотвращая тем самым появление горячих трещин.
К сожалению, флюсы не позволяют полностью освободиться от вредных примесей в сварочной ванне, но их роль в сварочном процессе огромна. Они снижают скорость кристаллизации, что способствует более полному выводу газов из расплавленного металла, осуществляют его металлургическую обработку, раскисляя металл и легируя сварочный шов. Кроме того, флюсы стабилизируют дугу и тем самым способствуют качественному формированию шва.
Свариваемость металлов
Реакция свариваемых материалов на технологический процесс сварки и возможность получения сварных соединений, удовлетворяющих условиям эксплуатации, называется . Свариваемость определяют три группы факторов:
– химический состав и структура металла, наличие примесей, степень раскисления[8], подготовительные операции (ковка, прокатка, термообработка деталей);
– сложность формы и жесткость конструкции, масса и толщина металла, последовательность выполнения сварных швов;
– вид сварки и сварочные материалы, режимы термических воздействий на основной материал.
Наиболее существенное влияние на свариваемость оказывает углерод, способствующий образованию закалочных структур, и легирующие элементы (хром, вольфрам, молибден), способствующие возникновению карбидов.
Основной характеристикой свариваемости является отсутствие холодных или горячих трещин при сварке. Трещины, возникающие при температурах выше 800–900 °C, называются горячими, а при температурах ниже 300 °C – холодными.
Холодные трещины образуются под влиянием закалочных явлений, атомов водорода и остаточных растягивающих напряжений. Чувствительность сварного соединения к образованиям холодных трещин оценивают эквивалентным содержанием углерода в детали. Для этого используют эмпирические формулы, из которых наиболее распространенная имеет вид:
При < 0,45 сталь сваривается без холодных трещин. При > 0,45 сталь склонна к образованию холодных трещин и необходим предварительный подогрев свариваемого изделия до температуры, где – общий эквивалент углерода, зависящий от и толщины свариваемых деталей:
).
Допустим, нужно определить возможность сварки деталей толщиной 5 мм из стали 40ХН.
Для этого понадобится справочник по маркам сталей. Для стали 40ХН содержание С = 0,36—044; Mn = 0,5–0,8; Cr = 0,45—0,75; Ni = 1–1,4; Cu ≤ 0,3; ванадий и молибден не содержатся.
Для расчета возьмем средние значения химических элементов в этой стали.
Следовательно, детали перед сваркой необходимо нагревать:
Деформации при сварке
Деформации деталей при сварке происходят из-за образования внутренних напряжений. Их причинами являются температурные деформации вследствие местного нагрева, усадка наплавленного металла и фазовые превращения, происходящие в металле при охлаждении (рис. 4).
В результате местного нагрева при сварке происходит значительное местное расширение металла, в то время как остальная часть изделия остается в холодном состоянии. Это приводит к образованию внутренних напряжений и изгибам элементов конструкции.
. Деформации при сварке:
– причины деформаций (I – температурная деформация из-за разности температур сварного шва и детали; II – усадка сварного шва при кристаллизации; III – усадка в результате фазовых превращений); – искривление продольной оси из-за продольного сварного шва или газового реза; – деформация грибовидной формы из-за усадки сварочного шва; – усадка трубы от кольцевого сварного шва
Усадка металла, происходящая вследствие уменьшения объема жидкого металла при затвердевании, является второй по значимости причиной возникновения внутренних напряжений.
Фазовые превращения при охлаждении нагретого при сварке металла также сопровождаются относительно небольшим изменением его объема. У сталей это изменение составляет примерно 1 % объема, что также приводит к образованию внутренних напряжений.
Полностью избежать деформаций при сварке не удается, но уменьшить их до приемлемых значений можно правильным выбором вида сварки и технологии ее осуществления. Например, электродуговая сварка, при которой изделие получает сосредоточенный нагрев, вызывает коробления меньше, чем сварка газовым пламенем, при которой нагревается значительный участок детали. Деформации при сварке плавлением больше, чем при сварке давлением.
Незначительного снижения коробления достигают, отводя тепло со свариваемого участка путем подкладывания медной пластинки с обратной стороны шва, прикладывания вокруг шва асбеста, смоченного водой, и т. п.
Коробление можно уменьшить и путем уравновешивания образовавшихся деформаций. Места соединения деталей разбивают на участки, сварка которых ведется в таком порядке, чтобы деформации, получаемые при сварке на отдельных участках, были равны по величине и противоположны по направлению. Например, при сварке двутавровой балки из трех частей можно применять очередность сварки отдельных участков, показанную на рис. 5, .
8
Раскисление – процесс удаления из расплавленных металлов растворенного в них кислорода, ухудшающего механические свойства металла.