Страница:
Галина Алексеевна Серикова
Сварочные работы
Практический справочник
Предисловие
В настоящее время сварка относится к наиболее распространенным технологическим процессам в различных отраслях производства. Кроме того, она востребована в быту и малом строительстве, когда необходимо сварить, например, гараж или вольер для домашних животных.
Когда-то мир не знал сварки, а простейшие работы подобного типа проводили кузнецы, которые нагревали части изделия, собирали их и проковывали. Этот процесс используется и сейчас, а называется он кузнечной сваркой.
Открытие электрической дуги круто изменило способы соединения металлических изделий и конструкций. А с изобретением сварочного аппарата такие работы вышли на новый уровень.
На протяжении XX века усовершенствовались старые способы сварки и изобретались новые. В итоге сварка превратилась в универсальный способ соединения материалов.
Поскольку далеко не каждый из них может быть использован домашним мастером, в этой книге основное внимание уделяется ручной дуговой и газовой сварке и резке, с помощью которых в быту выполняется большинство сварочных операций.
Первая глава познакомит вас с теорией сварки. Ведь без знания терминов и понятий трудно будет изучать этот сложный процесс. Во второй главе вы сможете найти подробное описание сварочных материалов и оборудования для дуговой сварки. В третьей главе даются виды сварных швов и соединений. Четвертая и пятая главы помогут вам освоить ручную дуговую и газовую сварки.
Когда-то мир не знал сварки, а простейшие работы подобного типа проводили кузнецы, которые нагревали части изделия, собирали их и проковывали. Этот процесс используется и сейчас, а называется он кузнечной сваркой.
Открытие электрической дуги круто изменило способы соединения металлических изделий и конструкций. А с изобретением сварочного аппарата такие работы вышли на новый уровень.
На протяжении XX века усовершенствовались старые способы сварки и изобретались новые. В итоге сварка превратилась в универсальный способ соединения материалов.
Поскольку далеко не каждый из них может быть использован домашним мастером, в этой книге основное внимание уделяется ручной дуговой и газовой сварке и резке, с помощью которых в быту выполняется большинство сварочных операций.
Первая глава познакомит вас с теорией сварки. Ведь без знания терминов и понятий трудно будет изучать этот сложный процесс. Во второй главе вы сможете найти подробное описание сварочных материалов и оборудования для дуговой сварки. В третьей главе даются виды сварных швов и соединений. Четвертая и пятая главы помогут вам освоить ручную дуговую и газовую сварки.
Теория сварки
Основные понятия
Прежде чем говорить о сварочных работах, необходимо ввести ряд наиболее важных понятий, которые непосредственно связаны с ними и без которых невозможно понимание тех или иных процессов. Причем они намеренно расположены не в алфавитном порядке, а в соответствии с логикой повествования.
Сварка представляет собой соединение металлических частей (деталей, конструкций и пр.) посредством локального нагревания и доведения их до пластичного или расплавленного состояния.
Сварным называется неразъемное соединение металлических частей (деталей, конструкций и др.), которое достигнуто в результате сварки.
Сварной шов – это часть сварного соединения, образованная в процессе сварки расплавленным, а затем кристаллизовавшимся металлом.
Основной металл – металл, из которого выполнены части, детали, изделия и конструкции, подвергающиеся сварке.
Сварочный флюс – неметаллический материал, защищающий зону сварки, пайки, наплавки от атмосферного воздуха, создающий условия для восстановления окислов, разжижения шлаков и понижения их температуры, способствующий получению сварного шва необходимого химического состава.
Сварочный электрод – это стержень, изготовленный из электропроводящего материала, с помощью которого электрический ток подводится к свариваемым деталям, частям и т. п.
Металл шва – материал, который получается в процессе смешивания расплавленного основного и присадочного или электродного металла.
Сварочная ванна – углубление, образованное сварочной дугой или пламенем горелки и заполненное расплавленным металлом.
Околошовная зона – это участок основного металла, структура которого подвергается изменению в результате воздействия высокой температуры, необходимой для выполнения сварки.
Легирующие компоненты – это вещества, которые вводят в состав металлов и сплавов и благодаря которым полученный материал приобретает определенные свойства.
Сварка представляет собой соединение металлических частей (деталей, конструкций и пр.) посредством локального нагревания и доведения их до пластичного или расплавленного состояния.
Сварным называется неразъемное соединение металлических частей (деталей, конструкций и др.), которое достигнуто в результате сварки.
Сварной шов – это часть сварного соединения, образованная в процессе сварки расплавленным, а затем кристаллизовавшимся металлом.
Основной металл – металл, из которого выполнены части, детали, изделия и конструкции, подвергающиеся сварке.
Сварочный флюс – неметаллический материал, защищающий зону сварки, пайки, наплавки от атмосферного воздуха, создающий условия для восстановления окислов, разжижения шлаков и понижения их температуры, способствующий получению сварного шва необходимого химического состава.
Сварочный электрод – это стержень, изготовленный из электропроводящего материала, с помощью которого электрический ток подводится к свариваемым деталям, частям и т. п.
Металл шва – материал, который получается в процессе смешивания расплавленного основного и присадочного или электродного металла.
Сварочная ванна – углубление, образованное сварочной дугой или пламенем горелки и заполненное расплавленным металлом.
Околошовная зона – это участок основного металла, структура которого подвергается изменению в результате воздействия высокой температуры, необходимой для выполнения сварки.
Легирующие компоненты – это вещества, которые вводят в состав металлов и сплавов и благодаря которым полученный материал приобретает определенные свойства.
Строение и свойства металлов
В твердых телах, к которым относятся и металлы, атомы по-разному располагаются в пространстве:
– беспорядочно, т. е. для каждого атома нет строго определенного места относительно других атомов. Такое строение типично для аморфных веществ, которые формально принадлежат к твердым телам, поскольку могут сохранять объем и форму, но у них отсутствует определенная температура плавления и кристаллизации;
– упорядоченно, когда атомы находятся на конкретных местах. Такой принцип размещения атомов встречается у твердых веществ. Если центры атомов соединить гипотетическими прямыми линиями, можно образовать пространственную решетку, которая называется кристаллической. Несмотря на то что отдельные атомы в результате диффузии могут менять свое месторасположение, покидая узлы решетки, в целом упорядоченность кристаллического строения остается неизменной.
Для разных металлов характерен определенный тип кристаллической решетки, образуемой малоподвижными ионами с положительным зарядом, между которыми перемещаются отрицательно заряженные частицы – свободные электроны. Последние образуют явление, называемое электронным газом. Именно он обеспечивает пластичность, тепло– и электропроводность металлов.
Твердые кристаллические тела, в частности металлы, имеют структуру, состоящую из кристаллических зерен, которые называются кристаллитами. В расположенных рядом зернах кристаллические решетки находятся под некоторым углом друг к другу.
Для соединения двух металлов важно, чтобы между их кристаллическим строением и размером атомов наблюдалось определенное соответствие. Это означает, что для сварки наилучшими являются условия, при которых металлы будут иметь одинаковые или однотипные кристаллические решетки с примерно схожими параметрами и близкими по размеру атомами.
Металл, находясь в твердом состоянии, обладает энергетически стабильным кристаллическим строением, при этом атомы или их группировки обладают минимальным количеством свободной энергии. Перемена температурных условий (нагрев или охлаждение) влечет за собой энергетические изменения в состоянии атомов, что, в свою очередь, приводит к перестройке их расположения относительно друг друга и изменению свободной энергии. Такое положение возможно до определенных температур, при которых металл сохраняет свою кристаллическую структуру. Дальнейший подъем температуры доводит энергетическое состояние атомов до состояния, характерного для жидкости. Продолжающееся ее повышение заканчивается тем, что кристаллическая решетка начинает разрушаться, хотя при этом могут оставаться отдельные комбинации атомов относительно тех атомов, которые расположены в соответствии с прежними закономерностями. Но они не отличаются стабильностью, поскольку одновременно идет процесс разрушения одних группировок и образование других. Именно они при охлаждении металла превращаются в центры кристаллизации. От их количества зависит, насколько крупными будут кристаллы, возникающие при изменении состояния металла, т. е. при переходе его из жидкого состояния в твердое (этот процесс называется перекристаллизацией).
Нагревание или охлаждение металла, находящегося в твердом состоянии, может приводить к смене одного вида кристаллической решетки другим. Это явление называется аллотропическим превращением и осуществляется по законам кристаллизации. Такие металлы, как железо, олово и др., при нагревании до определенной температуры, которая называется критической точкой, после охлаждения и затвердевания способны образовывать кристаллические решетки разной формы. Например, критической температурой для чистого железа (так называемое ά-железо) является 910 °C (температура плавления – 1500 °C), по достижении которой атомы в пределах кристаллической решетки перестраиваются. В результате образуется другая модификация – γ-железо, которое по своим свойствам отличается от первого, в частности оно лишено магнитных свойств и может растворять углерод.
При перекристаллизации строение металла тоже изменяется. Данный процесс относится к тем факторам, от которых зависят кристаллическая структура, зернистость и свойства металлов. Кроме того, он может исправить неблагоприятное строение, сформировав более мелкозернистую структуру.
Таким образом, условия плавления металла имеют большое значение для процесса кристаллизации и определяют свойства металла сварного шва.
Металлы обладают рядом свойств, которые отличают их от других материалов и веществ. На основании этого они подразделяются на четыре основные группы:
– физические (цвет, плотность, плавкость, а также тепло– и электропроводность, теплоемкость, способность намагничиваться);
– химические (жаропрочность, окалиностойкость, жароупорность, коррозионная устойчивость);
– механические (упругость, прочность, твердость, пластичность, ударная вязкость);
– технологические (свариваемость, ковкость, текучесть, обрабатываемость резанием, прокаливаемость).
Для сварочной практики наиболее важными являются механические и технологические характеристики металлов, поэтому на них следует остановиться более подробно.
Прочность представляет собой способность металла сопротивляться внешнему воздействию и при этом не разрушаться.
Для определения прочности металла имеются специальные средства, в частности разрывные машины, обладающие различной мощностью. При испытании того или иного образца на разрыв наступает момент, когда металл продолжает удлиняться, хотя нагрузка на него не возрастает. Отношение такой нагрузки к поперечному сечению образца – предел текучести. При дальнейшем увеличении нагрузки образец разрывается. Напряжение, при котором это происходит, называется пределом прочности, или временным сопротивлением материала.
Свойство металла под воздействием нагрузки изменять свою форму, а после прекращения воздействия восстанавливать ее называется упругостью. А если он изменяет форму под влиянием на него той или иной нагрузки, но при этом не разрушается, а после ее устранения сохраняет приданную форму, то такая его способность называется пластичностью. Этот параметр важен для металла сварного шва, который проходит испытание на загиб. По величине угла загиба судят о пластичности шва: чем он больше, тем выше пластичность.
Способность металла сопротивляться проникновению в него более твердого тела называется твердостью. Она проверяется в процессе различных испытаний, каждое из которых имеет определенное название, в частности:
– твердость по Бринеллю;
– твердость по Виккерсу;
– твердость по Роквеллу.
В ходе проверки металл испытывается вдавливанием шарика (диаметром 2,5, 5 или 10 мм), изготовленного из твердой стали, вершины алмазной пирамиды и вершины алмазного конуса (угол – 120°) соответственно.
По тому, насколько металл способен сопротивляться ударным нагрузкам, судят о его ударной вязкости. В сварочном производстве это основной параметр наплавленного металла и сварного соединения. Чем выше ударная вязкость металла сварного шва, тем он работоспособнее, тем большую нагрузку он состоянии выдержать.
Помимо названных параметров, металл тестируют на усталость и истирание. Первый показатель важен для установления выносливости материала в условиях многократно сменяющихся нагрузок, а второй – для металлов тех деталей и изделий (например, подшипников и др.), которые в процессе эксплуатации подвергаются трению.
Технологические свойства металла важны в тех случаях, когда стоит задача – решить, является ли данный металл пригодным для изготовления из него той или иной детали, конструкции и пр. Для этого берут технологические пробы, некоторые из которых имеют определенные стандарты, например пробы на осадку в холодном состоянии, на загиб и т. д.
По своему составу металлы бывают черными (в эту группу входят железо и сплавы, полученные на его основе, т. е. чугун и сталь) и цветными (остальные металлы и сплавы).
В промышленности находят применение не только металлы в чистом виде (они называются простыми, если не имеют в своем составе легирующих компонентов), но и сложные вещества, полученные в процессе сплавления. Они называются сплавами и классифицируются на основе разных признаков:
– по составу (содержанию легирующих веществ). Сплавы бывают низко-, средне– и высоколегированными, если содержат менее 2 %, от 2,5 до 10 % или более 10 % легирующих веществ соответственно;
– по количеству компонентов (химических элементов в составе сплава). На основании этого параметра различаются двух-, трех– и более компонентные сплавы;
– по степени чистоты (это относится и к металлам). Различаются сплавы от пониженной, средней, повышенной и высокой чистоты до особо чистых.
Качественное выполнение сварочных работ невозможно без учета свойств металлов и сплавов.
– беспорядочно, т. е. для каждого атома нет строго определенного места относительно других атомов. Такое строение типично для аморфных веществ, которые формально принадлежат к твердым телам, поскольку могут сохранять объем и форму, но у них отсутствует определенная температура плавления и кристаллизации;
– упорядоченно, когда атомы находятся на конкретных местах. Такой принцип размещения атомов встречается у твердых веществ. Если центры атомов соединить гипотетическими прямыми линиями, можно образовать пространственную решетку, которая называется кристаллической. Несмотря на то что отдельные атомы в результате диффузии могут менять свое месторасположение, покидая узлы решетки, в целом упорядоченность кристаллического строения остается неизменной.
Для разных металлов характерен определенный тип кристаллической решетки, образуемой малоподвижными ионами с положительным зарядом, между которыми перемещаются отрицательно заряженные частицы – свободные электроны. Последние образуют явление, называемое электронным газом. Именно он обеспечивает пластичность, тепло– и электропроводность металлов.
Твердые кристаллические тела, в частности металлы, имеют структуру, состоящую из кристаллических зерен, которые называются кристаллитами. В расположенных рядом зернах кристаллические решетки находятся под некоторым углом друг к другу.
Для соединения двух металлов важно, чтобы между их кристаллическим строением и размером атомов наблюдалось определенное соответствие. Это означает, что для сварки наилучшими являются условия, при которых металлы будут иметь одинаковые или однотипные кристаллические решетки с примерно схожими параметрами и близкими по размеру атомами.
Металл, находясь в твердом состоянии, обладает энергетически стабильным кристаллическим строением, при этом атомы или их группировки обладают минимальным количеством свободной энергии. Перемена температурных условий (нагрев или охлаждение) влечет за собой энергетические изменения в состоянии атомов, что, в свою очередь, приводит к перестройке их расположения относительно друг друга и изменению свободной энергии. Такое положение возможно до определенных температур, при которых металл сохраняет свою кристаллическую структуру. Дальнейший подъем температуры доводит энергетическое состояние атомов до состояния, характерного для жидкости. Продолжающееся ее повышение заканчивается тем, что кристаллическая решетка начинает разрушаться, хотя при этом могут оставаться отдельные комбинации атомов относительно тех атомов, которые расположены в соответствии с прежними закономерностями. Но они не отличаются стабильностью, поскольку одновременно идет процесс разрушения одних группировок и образование других. Именно они при охлаждении металла превращаются в центры кристаллизации. От их количества зависит, насколько крупными будут кристаллы, возникающие при изменении состояния металла, т. е. при переходе его из жидкого состояния в твердое (этот процесс называется перекристаллизацией).
Нагревание или охлаждение металла, находящегося в твердом состоянии, может приводить к смене одного вида кристаллической решетки другим. Это явление называется аллотропическим превращением и осуществляется по законам кристаллизации. Такие металлы, как железо, олово и др., при нагревании до определенной температуры, которая называется критической точкой, после охлаждения и затвердевания способны образовывать кристаллические решетки разной формы. Например, критической температурой для чистого железа (так называемое ά-железо) является 910 °C (температура плавления – 1500 °C), по достижении которой атомы в пределах кристаллической решетки перестраиваются. В результате образуется другая модификация – γ-железо, которое по своим свойствам отличается от первого, в частности оно лишено магнитных свойств и может растворять углерод.
При перекристаллизации строение металла тоже изменяется. Данный процесс относится к тем факторам, от которых зависят кристаллическая структура, зернистость и свойства металлов. Кроме того, он может исправить неблагоприятное строение, сформировав более мелкозернистую структуру.
Таким образом, условия плавления металла имеют большое значение для процесса кристаллизации и определяют свойства металла сварного шва.
Металлы обладают рядом свойств, которые отличают их от других материалов и веществ. На основании этого они подразделяются на четыре основные группы:
– физические (цвет, плотность, плавкость, а также тепло– и электропроводность, теплоемкость, способность намагничиваться);
– химические (жаропрочность, окалиностойкость, жароупорность, коррозионная устойчивость);
– механические (упругость, прочность, твердость, пластичность, ударная вязкость);
– технологические (свариваемость, ковкость, текучесть, обрабатываемость резанием, прокаливаемость).
Для сварочной практики наиболее важными являются механические и технологические характеристики металлов, поэтому на них следует остановиться более подробно.
Прочность представляет собой способность металла сопротивляться внешнему воздействию и при этом не разрушаться.
Для определения прочности металла имеются специальные средства, в частности разрывные машины, обладающие различной мощностью. При испытании того или иного образца на разрыв наступает момент, когда металл продолжает удлиняться, хотя нагрузка на него не возрастает. Отношение такой нагрузки к поперечному сечению образца – предел текучести. При дальнейшем увеличении нагрузки образец разрывается. Напряжение, при котором это происходит, называется пределом прочности, или временным сопротивлением материала.
Свойство металла под воздействием нагрузки изменять свою форму, а после прекращения воздействия восстанавливать ее называется упругостью. А если он изменяет форму под влиянием на него той или иной нагрузки, но при этом не разрушается, а после ее устранения сохраняет приданную форму, то такая его способность называется пластичностью. Этот параметр важен для металла сварного шва, который проходит испытание на загиб. По величине угла загиба судят о пластичности шва: чем он больше, тем выше пластичность.
Способность металла сопротивляться проникновению в него более твердого тела называется твердостью. Она проверяется в процессе различных испытаний, каждое из которых имеет определенное название, в частности:
– твердость по Бринеллю;
– твердость по Виккерсу;
– твердость по Роквеллу.
В ходе проверки металл испытывается вдавливанием шарика (диаметром 2,5, 5 или 10 мм), изготовленного из твердой стали, вершины алмазной пирамиды и вершины алмазного конуса (угол – 120°) соответственно.
По тому, насколько металл способен сопротивляться ударным нагрузкам, судят о его ударной вязкости. В сварочном производстве это основной параметр наплавленного металла и сварного соединения. Чем выше ударная вязкость металла сварного шва, тем он работоспособнее, тем большую нагрузку он состоянии выдержать.
Помимо названных параметров, металл тестируют на усталость и истирание. Первый показатель важен для установления выносливости материала в условиях многократно сменяющихся нагрузок, а второй – для металлов тех деталей и изделий (например, подшипников и др.), которые в процессе эксплуатации подвергаются трению.
Технологические свойства металла важны в тех случаях, когда стоит задача – решить, является ли данный металл пригодным для изготовления из него той или иной детали, конструкции и пр. Для этого берут технологические пробы, некоторые из которых имеют определенные стандарты, например пробы на осадку в холодном состоянии, на загиб и т. д.
По своему составу металлы бывают черными (в эту группу входят железо и сплавы, полученные на его основе, т. е. чугун и сталь) и цветными (остальные металлы и сплавы).
В промышленности находят применение не только металлы в чистом виде (они называются простыми, если не имеют в своем составе легирующих компонентов), но и сложные вещества, полученные в процессе сплавления. Они называются сплавами и классифицируются на основе разных признаков:
– по составу (содержанию легирующих веществ). Сплавы бывают низко-, средне– и высоколегированными, если содержат менее 2 %, от 2,5 до 10 % или более 10 % легирующих веществ соответственно;
– по количеству компонентов (химических элементов в составе сплава). На основании этого параметра различаются двух-, трех– и более компонентные сплавы;
– по степени чистоты (это относится и к металлам). Различаются сплавы от пониженной, средней, повышенной и высокой чистоты до особо чистых.
Качественное выполнение сварочных работ невозможно без учета свойств металлов и сплавов.
Свариваемость металлов
Свариваемость – это свойство или сочетание свойств металлов образовывать при установленной технологии сварки соединение, которое отвечает всем требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией изделия, т. е. она представляет собой способность одно– и разнородных металлов и сплавов давать такое сварное соединение, которое при определенных условиях (нагрузки, температура, воздействие внешней среды и пр.) не будет разрушаться.
Если металлы и сплавы содержат в своем составе элементы, которые отличаются неограниченной взаимной растворимостью, то они хорошо свариваются и не дают соединений, которые негативно влияют на свойства сварного шва. Это можно сказать, например, о таких парах, как железо и хром, железо и ванадий, молибден и тантал, никель и медь, хром и титан и др. Прекрасно свариваются однородные металлы и сплавы, например медь с медью, чугун с чугуном, сталь со сталью и др.
Если металлы (например, свинец и медь) и сплавы в жидком состоянии дают несмешивающиеся слои, т. е. о них нельзя сказать, что им свойственна высокая взаимная растворимость, то их сварка неосуществима. Это означает, что они настолько разнородны, что взаимная кристаллизация невозможна. С трудом свариваются железо и магний, алюминий и висмут и др. Для облегчения этого процесса в смесь вводятся такие металлы, которые способны взаимно растворяться и с тем, и с другим соединяемым компонентом.
Таким образом, свариваемость металлов и сплавов во многом определяется их химическим составом. В качестве примера рассмотрим железоуглеродистые сплавы, которые в этом плане очень показательны. Свариваемость углеродистой стали определяется содержанием присутствующих в ней примесей. Углерод – один из главных элементов в стали, от которого во многом зависят свойства данного материала в процессе обработки. Это относится и к свариваемости: с повышением содержания углерода свариваемость стали ухудшается. Например, хорошо свариваются низкоуглеродистые стали, в которых количество углерода не превышает 0,25 %; среднеуглеродистые стали с содержанием углерода не более 0,35 % тоже свариваются неплохо. При дальнейшем повышении данного параметра свариваемость сталей заметно ухудшается. Это проявляется в том, что в околошовной зоне образуются закалочные структуры, трещины, а сам шов приобретает пористость.
Чтобы сварное соединение получилось качественным, необходимо прибегать к различным технологическим приемам, об одном из которых уже упоминалось ранее (о введении легирующих компонентов).
Помимо свойств основного металла, для свариваемости имеют значение и другие факторы, а именно:
– вид и режим сварки;
– состав присадок и флюса;
– вид защитного газа (например, для углеродистой стали азот в качестве газовой среды не подходит, поскольку он растворится в металле и вызовет его старение; для меди и цинка такая среда, напротив, благоприятна, так как азот практически не растворяется в легкоплавких металлах).
Для определения свариваемости металлов и сплавов разработано более 150 способов.
Если металлы и сплавы содержат в своем составе элементы, которые отличаются неограниченной взаимной растворимостью, то они хорошо свариваются и не дают соединений, которые негативно влияют на свойства сварного шва. Это можно сказать, например, о таких парах, как железо и хром, железо и ванадий, молибден и тантал, никель и медь, хром и титан и др. Прекрасно свариваются однородные металлы и сплавы, например медь с медью, чугун с чугуном, сталь со сталью и др.
Если металлы (например, свинец и медь) и сплавы в жидком состоянии дают несмешивающиеся слои, т. е. о них нельзя сказать, что им свойственна высокая взаимная растворимость, то их сварка неосуществима. Это означает, что они настолько разнородны, что взаимная кристаллизация невозможна. С трудом свариваются железо и магний, алюминий и висмут и др. Для облегчения этого процесса в смесь вводятся такие металлы, которые способны взаимно растворяться и с тем, и с другим соединяемым компонентом.
Таким образом, свариваемость металлов и сплавов во многом определяется их химическим составом. В качестве примера рассмотрим железоуглеродистые сплавы, которые в этом плане очень показательны. Свариваемость углеродистой стали определяется содержанием присутствующих в ней примесей. Углерод – один из главных элементов в стали, от которого во многом зависят свойства данного материала в процессе обработки. Это относится и к свариваемости: с повышением содержания углерода свариваемость стали ухудшается. Например, хорошо свариваются низкоуглеродистые стали, в которых количество углерода не превышает 0,25 %; среднеуглеродистые стали с содержанием углерода не более 0,35 % тоже свариваются неплохо. При дальнейшем повышении данного параметра свариваемость сталей заметно ухудшается. Это проявляется в том, что в околошовной зоне образуются закалочные структуры, трещины, а сам шов приобретает пористость.
Чтобы сварное соединение получилось качественным, необходимо прибегать к различным технологическим приемам, об одном из которых уже упоминалось ранее (о введении легирующих компонентов).
Помимо свойств основного металла, для свариваемости имеют значение и другие факторы, а именно:
– вид и режим сварки;
– состав присадок и флюса;
– вид защитного газа (например, для углеродистой стали азот в качестве газовой среды не подходит, поскольку он растворится в металле и вызовет его старение; для меди и цинка такая среда, напротив, благоприятна, так как азот практически не растворяется в легкоплавких металлах).
Для определения свариваемости металлов и сплавов разработано более 150 способов.
Металлургия сварки
Процессы расплавления и затвердевания металла, в ходе которых его химический состав претерпевает изменения, а кристаллическая решетка – трансформацию, называются металлургическими. Сварка также относится к ним, но по сравнению с другими подобными процессами имеет ряд особенностей, поскольку:
– осуществляется при значительной температуре нагрева. Благодаря этому повышается скорость плавления всех составляющих процесса – основного и электродного металла, электродного покрытия и флюса. Это сопровождается испарением, окислением и разбрызгиванием веществ, которые принимают участие в протекающих в сварочной ванне химических реакциях. Кроме того, при высокой температуре дуги молекулы азота, водорода и кислорода частично диссоциируются (так называется процесс, при котором молекулы расщепляются на более простые составные частицы – молекулы, атомы и др.). Данные элементы (газы), будучи в атомарном состоянии, становятся химически более активными, поэтому интенсифицируются процессы их окисления, насыщения металла азотом и поглощения водорода, что выделяет сварку среди других металлургических процессов. При высокой температуре имеющиеся примеси выгорают, что в конечном итоге отражается на химическом составе свариваемого металла (он изменяется);
– течет с высокой скоростью. Это относится как к нагреванию, так и к охлаждению, что, естественно, сказывается на процессе кристаллизации и может приводить к появлению каких-либо дефектов (например, к формированию закалочных структур, трещинообразованию и др.);
– отличается минимальными объемами нагретого и расплавленного металла. Объем сварочной ванны при ручной сварке составляет 0,5–1,5 см3 (при автоматической он больше – 24-300 см3);
– характеризуется быстрым отводом тепла от расплавленного металла сварочной ванны в близлежащие участки основного металла, находящегося в твердом состоянии, что наряду с малыми объемами расплавленного металла приводит к кратковременности химических реакций, которые протекают при высокой температуре процесса, следствием чего может быть их незавершенность, что, в свою очередь, отражается на структуре металла шва, который образуется по окончании сварки, и основного металла околошовной зоны (зоны термического влияния). Результатом этого может быть ослабление сварного шва.
К другим особенностям сварки относится то, что в зоне соединения происходит активное воздействие газов и шлаков на расплавленный металл. Кроме того, может применяться присадочный материал, необходимый для формирования металла шва, причем не исключаются значительные различия между химическим составом присадок и основного металла.
Таким образом, при сварке за небольшой промежуток времени наблюдаются сложные процессы, во время которых разные химические элементы взаимодействуют друг с другом. Рассмотрим эти явления, чтобы лучше представлять себе, что стоит за сварочными процессами.
Наиболее важен процесс кристаллизации металла шва. Во время сварки вместе с перемещением дуги передвигается и сварочная ванна, а расплавленный металл, оставшийся в ее тылу, постепенно охлаждается и затвердевает. Так образуется сварной шов. Величина и протяженность сварочной ванны определяются различными факторами, в частности типом источника тепла, его мощностью, режимом сварки, характеристиками металла, подвергающегося сварке, и др. Первыми кристаллизуются частично сплавленные зерна основного металла, находящегося на границе расплавления, к решетке которых прикрепляются атомы кристаллизующейся фазы. По окончании затвердения в зоне расплавления формируются зерна, которые состоят из основного металла и металла сварного шва, благодаря чему и обеспечивается соединение, т. е. непрерывная металлическая связь «основной металл – шов – основной металл».
Для процесса кристаллизации характерна высокая скорость, поскольку интенсивный нагрев сварочной дугой сменяется таким же энергичным отводом тепла в свариваемое изделие. Металл сварного шва может за секунду остывать на десятки или даже сотни градусов.
Изучение кристаллизации сварного шва методами металлографии показывает, что в различных его частях формируются кристаллы разного размера: в верхних – более крупные, а в нижних – более мелкие. Кристаллы в зависимости от своего месторасположения различаются и формой: в средней зоне они имеют транскристаллитное строение, т. е. удлиненную форму, а в верхней – дендритное строение, т. е. ветвистую форму.
Кристаллизация как процесс протекает неравномерно, поскольку периодически изменяется теплообмен и т. д. В результате этого сварной шов неоднороден, в нем четко выделяется слоистая структура. Кристаллизационные слои, в свою очередь, состоят из трех участков:
– нижнего, содержащего незначительное количество серы, фосфора и углерода. Этот участок, отличающийся наиболее выраженным почернением при травлении, образуется в процессе кристаллизации тонкого слоя жидкого металла, прилегающего к оплавленной поверхности, в который названные элементы проникли из соседних участков основного металла;
– среднего, в котором содержится примерно такое же количество серы, фосфора и углерода, как и в металле шва. Он кристаллизуется из расплавленного металла исходного состава, бывает самым широким и характеризуется достаточно однородным почернением при травлении;
– верхнего, содержащего наименьшее количество серы, углерода и фосфора и дающего ослабленное почернение при травлении.
Последующие кристаллизационные слои формируются таким же образом.
Не менее важное явление, которое сопровождает процесс сварки, – это диссоциация газов, при которой молекулы газа переходят в атомарное состояние (H2 → 2H, O2 → 2O, N2 → 2N). При этом активность атомов кислорода, водорода и азота значительно возрастает, они легче растворяются в расплавленном металле, увеличивая его хрупкость, уменьшая пластичность и т. д.
Разложению подвергаются молекулы и других веществ, например плавиковый шпат, имеющийся в составе электродных покрытий, под воздействием высокой температуры распадается на фтористый кальций и свободный фтор (CaF2 → CaF + F), причем последний при достижении температуры 6000 °C активно диссоциируется. Наряду с минусами, которые несет свободный фтор (в его присутствии условия горения сварочной дуги изменяются в худшую сторону), есть и положительный момент: он образует с водородом устойчивое соединение, т. е. риск образования газовых пор снижается, что улучшает свойства металла шва.
Для понимания особенностей сваривания металлов необходимо иметь представление об основных химических реакциях, которые протекают в зоне сварки. Сам процесс в упрощенной форме выглядит так: под воздействием высокой температуры электрической дуги кромки сваривающихся металлов, электродного металла и флюса расплавляются. В ходе этого формируется сварочная ванна, вокруг которой находится относительно холодный металл, причем его толщина может быть значительной, и которая покрыта расплавленным шлаком. В результате при сварке наблюдается взаимодействие между расплавленным металлом с одной стороны и шлаком, атмосферным воздухом и выделяющимися в процессе плавления газами – с другой. Начало этого процесса отмечается с того момента, как только появляются первые капли металла электрода, а его завершение знаменуется полным охлаждением металла шва.
Основными составляющими газовой среды, в которой протекает процесс сварки, являются CO2, CO, H2O, H2, O2, N2 и продукты их диссоциации – OH, H, N, O. Кроме того, здесь присутствуют пары металла и шлака.
Источники кислорода – окружающий воздух и электродное покрытие. При взаимодействии кислорода с расплавленным металлом железо окисляется, образуя оксиды – закись железа FeO (II), окись железа Fe2O3 (III), закись-окись железа Fe3O4 (с содержанием O2 22,27, 30,06 и 27,64 % соответственно), что иллюстрируется следующими реакциями:
2Fe + O2 ↔ 2FeO;
Fe + O ↔ FeO;
4Fe + 3O2 ↔ 2Fe2O3;
3Fe + 2О2 ↔ Fe2O4.
Из оксидов в железе растворяется лишь закись. Окись и закись-окись практически не растворимы, вследствие чего их влияние на свойства железа не отмечается, но при определенных условиях они, присутствуя на неподготовленных кромках свариваемых металлов (в ржавчине, окалине), превращаются в закись согласно реакциям:
Fe2O3 + Fe = 3FeO;
Fe3O4 + Fe = 4FeO.
В этом случае закись железа растворяется в расплавленном металле и шлаке, что в сводных швах проявляется в виде пор (при охлаждении металла закись железа выпадает из раствора, но если скорость этого процесса высока, то закись сохраняется в растворе и формирует прослойки шлака между зернами металла), которые снижают качество сварки. Для уменьшения растворимости закиси (она зависит от содержания углерода в стали и температуры: при повышении первого снижается, при возрастании второй – увеличивается) в металле важно, чтобы ее концентрация в шлаке была низкой. Тогда закись будет переходить в шлак.
В зоне так называемой дуги имеются углекислый газ CO2 и пары воды H2O, которые тоже принимают участие в окислении железа, поскольку при их диссоциации выделяется активный кислород:
Fe + CO2 ↔ FeO + CO;
Fe + H2O ↔ FeO + H2.
Кроме того, металл окисляется под воздействием окислов кремния (SiO2) и марганца (MnO).
Чтобы снизить концентрацию кислорода в расплавленном металле сварочной ванны, прибегают к введению раскислителей, степень сродства которых к кислороду (степень активности окисления элемента кислородом) больше, чем у металла сварочной ванны.
– осуществляется при значительной температуре нагрева. Благодаря этому повышается скорость плавления всех составляющих процесса – основного и электродного металла, электродного покрытия и флюса. Это сопровождается испарением, окислением и разбрызгиванием веществ, которые принимают участие в протекающих в сварочной ванне химических реакциях. Кроме того, при высокой температуре дуги молекулы азота, водорода и кислорода частично диссоциируются (так называется процесс, при котором молекулы расщепляются на более простые составные частицы – молекулы, атомы и др.). Данные элементы (газы), будучи в атомарном состоянии, становятся химически более активными, поэтому интенсифицируются процессы их окисления, насыщения металла азотом и поглощения водорода, что выделяет сварку среди других металлургических процессов. При высокой температуре имеющиеся примеси выгорают, что в конечном итоге отражается на химическом составе свариваемого металла (он изменяется);
– течет с высокой скоростью. Это относится как к нагреванию, так и к охлаждению, что, естественно, сказывается на процессе кристаллизации и может приводить к появлению каких-либо дефектов (например, к формированию закалочных структур, трещинообразованию и др.);
– отличается минимальными объемами нагретого и расплавленного металла. Объем сварочной ванны при ручной сварке составляет 0,5–1,5 см3 (при автоматической он больше – 24-300 см3);
– характеризуется быстрым отводом тепла от расплавленного металла сварочной ванны в близлежащие участки основного металла, находящегося в твердом состоянии, что наряду с малыми объемами расплавленного металла приводит к кратковременности химических реакций, которые протекают при высокой температуре процесса, следствием чего может быть их незавершенность, что, в свою очередь, отражается на структуре металла шва, который образуется по окончании сварки, и основного металла околошовной зоны (зоны термического влияния). Результатом этого может быть ослабление сварного шва.
К другим особенностям сварки относится то, что в зоне соединения происходит активное воздействие газов и шлаков на расплавленный металл. Кроме того, может применяться присадочный материал, необходимый для формирования металла шва, причем не исключаются значительные различия между химическим составом присадок и основного металла.
Таким образом, при сварке за небольшой промежуток времени наблюдаются сложные процессы, во время которых разные химические элементы взаимодействуют друг с другом. Рассмотрим эти явления, чтобы лучше представлять себе, что стоит за сварочными процессами.
Наиболее важен процесс кристаллизации металла шва. Во время сварки вместе с перемещением дуги передвигается и сварочная ванна, а расплавленный металл, оставшийся в ее тылу, постепенно охлаждается и затвердевает. Так образуется сварной шов. Величина и протяженность сварочной ванны определяются различными факторами, в частности типом источника тепла, его мощностью, режимом сварки, характеристиками металла, подвергающегося сварке, и др. Первыми кристаллизуются частично сплавленные зерна основного металла, находящегося на границе расплавления, к решетке которых прикрепляются атомы кристаллизующейся фазы. По окончании затвердения в зоне расплавления формируются зерна, которые состоят из основного металла и металла сварного шва, благодаря чему и обеспечивается соединение, т. е. непрерывная металлическая связь «основной металл – шов – основной металл».
Для процесса кристаллизации характерна высокая скорость, поскольку интенсивный нагрев сварочной дугой сменяется таким же энергичным отводом тепла в свариваемое изделие. Металл сварного шва может за секунду остывать на десятки или даже сотни градусов.
Изучение кристаллизации сварного шва методами металлографии показывает, что в различных его частях формируются кристаллы разного размера: в верхних – более крупные, а в нижних – более мелкие. Кристаллы в зависимости от своего месторасположения различаются и формой: в средней зоне они имеют транскристаллитное строение, т. е. удлиненную форму, а в верхней – дендритное строение, т. е. ветвистую форму.
Кристаллизация как процесс протекает неравномерно, поскольку периодически изменяется теплообмен и т. д. В результате этого сварной шов неоднороден, в нем четко выделяется слоистая структура. Кристаллизационные слои, в свою очередь, состоят из трех участков:
– нижнего, содержащего незначительное количество серы, фосфора и углерода. Этот участок, отличающийся наиболее выраженным почернением при травлении, образуется в процессе кристаллизации тонкого слоя жидкого металла, прилегающего к оплавленной поверхности, в который названные элементы проникли из соседних участков основного металла;
– среднего, в котором содержится примерно такое же количество серы, фосфора и углерода, как и в металле шва. Он кристаллизуется из расплавленного металла исходного состава, бывает самым широким и характеризуется достаточно однородным почернением при травлении;
– верхнего, содержащего наименьшее количество серы, углерода и фосфора и дающего ослабленное почернение при травлении.
Последующие кристаллизационные слои формируются таким же образом.
Не менее важное явление, которое сопровождает процесс сварки, – это диссоциация газов, при которой молекулы газа переходят в атомарное состояние (H2 → 2H, O2 → 2O, N2 → 2N). При этом активность атомов кислорода, водорода и азота значительно возрастает, они легче растворяются в расплавленном металле, увеличивая его хрупкость, уменьшая пластичность и т. д.
Разложению подвергаются молекулы и других веществ, например плавиковый шпат, имеющийся в составе электродных покрытий, под воздействием высокой температуры распадается на фтористый кальций и свободный фтор (CaF2 → CaF + F), причем последний при достижении температуры 6000 °C активно диссоциируется. Наряду с минусами, которые несет свободный фтор (в его присутствии условия горения сварочной дуги изменяются в худшую сторону), есть и положительный момент: он образует с водородом устойчивое соединение, т. е. риск образования газовых пор снижается, что улучшает свойства металла шва.
Для понимания особенностей сваривания металлов необходимо иметь представление об основных химических реакциях, которые протекают в зоне сварки. Сам процесс в упрощенной форме выглядит так: под воздействием высокой температуры электрической дуги кромки сваривающихся металлов, электродного металла и флюса расплавляются. В ходе этого формируется сварочная ванна, вокруг которой находится относительно холодный металл, причем его толщина может быть значительной, и которая покрыта расплавленным шлаком. В результате при сварке наблюдается взаимодействие между расплавленным металлом с одной стороны и шлаком, атмосферным воздухом и выделяющимися в процессе плавления газами – с другой. Начало этого процесса отмечается с того момента, как только появляются первые капли металла электрода, а его завершение знаменуется полным охлаждением металла шва.
Основными составляющими газовой среды, в которой протекает процесс сварки, являются CO2, CO, H2O, H2, O2, N2 и продукты их диссоциации – OH, H, N, O. Кроме того, здесь присутствуют пары металла и шлака.
Источники кислорода – окружающий воздух и электродное покрытие. При взаимодействии кислорода с расплавленным металлом железо окисляется, образуя оксиды – закись железа FeO (II), окись железа Fe2O3 (III), закись-окись железа Fe3O4 (с содержанием O2 22,27, 30,06 и 27,64 % соответственно), что иллюстрируется следующими реакциями:
2Fe + O2 ↔ 2FeO;
Fe + O ↔ FeO;
4Fe + 3O2 ↔ 2Fe2O3;
3Fe + 2О2 ↔ Fe2O4.
Из оксидов в железе растворяется лишь закись. Окись и закись-окись практически не растворимы, вследствие чего их влияние на свойства железа не отмечается, но при определенных условиях они, присутствуя на неподготовленных кромках свариваемых металлов (в ржавчине, окалине), превращаются в закись согласно реакциям:
Fe2O3 + Fe = 3FeO;
Fe3O4 + Fe = 4FeO.
В этом случае закись железа растворяется в расплавленном металле и шлаке, что в сводных швах проявляется в виде пор (при охлаждении металла закись железа выпадает из раствора, но если скорость этого процесса высока, то закись сохраняется в растворе и формирует прослойки шлака между зернами металла), которые снижают качество сварки. Для уменьшения растворимости закиси (она зависит от содержания углерода в стали и температуры: при повышении первого снижается, при возрастании второй – увеличивается) в металле важно, чтобы ее концентрация в шлаке была низкой. Тогда закись будет переходить в шлак.
В зоне так называемой дуги имеются углекислый газ CO2 и пары воды H2O, которые тоже принимают участие в окислении железа, поскольку при их диссоциации выделяется активный кислород:
Fe + CO2 ↔ FeO + CO;
Fe + H2O ↔ FeO + H2.
Кроме того, металл окисляется под воздействием окислов кремния (SiO2) и марганца (MnO).
Чтобы снизить концентрацию кислорода в расплавленном металле сварочной ванны, прибегают к введению раскислителей, степень сродства которых к кислороду (степень активности окисления элемента кислородом) больше, чем у металла сварочной ванны.