7064

Процессы происходящие в металлах при сварке

Реферат

Производство и промышленные технологии

Сварочная металлургия отличается от других металлургических процессов высокими температурами термического цикла и малым временем существования сварочной ванны в жидком состоянии, т. е. в состоянии, доступном для металлургической обработки м...

Русский

2013-01-14

72.5 KB

16 чел.

ВВЕДЕНИЕ

Сварочная металлургия отличается от других металлургических процессов высокими температурами термического цикла и малым временем существования сварочной ванны в жидком состоянии, т. е. в состоянии, доступном для металлургической обработки металла сварного шва. Кроме того, специфичны процессы кристаллизации сварочной ванны, начинающиеся от границы сплавления, и образования изменённого по своим свойствам металла зоны термического влияния.

В своей работе я отразил сущность лишь основных и наиболее общих процессов, происходящих в металле при сварке, хотя постарался изложить их как можно подробней и интересней.

ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ СВАРКИ.

      Сварка сопровождается комплексом одновременно протекающих процессов, основными из которых являются: тепловое воздействие на металл в зоне термического влияния, термодеформационные плавления, металлургической обработки и кристаллизации металла в объёме сварочной ванны в зоне сплавления.

Физическая свариваемость характеризует принципиальную возможность получения монолитных сварных соединений и главным образом относится к разнородным металлам.

В процессе сварки имеет место непрерывное охлаждение. Характер структурных превращений при этом отличается от случая распада аустенита при изотермической выдержке. При непрерывном охлаждении значение инкубационного периода в 1.5 раза больше, чем при изотермическом. С увеличением скорости охлаждения получаемая структура в зоне изотермического влияния измельчается, твёрдость её повышается. Если скорость охлаждения превышает критическую скорость, образование структур закалки неизбежно.

Закалённые структуры в аппаратостроении являются крайне нежелательными: отличаются высокой твёрдостью, хрупкостью, плохо обрабатываются, склонны к образованию трещин.

Если скорость охлаждения ниже критической скорости, образование закалочных структур исключается. В зоне термического влияния наиболее желательными являются пластичные, хорошо обрабатываемые структуры типа перлита или сорбита. Поэтому получение качественных соединений непременно связано с достижением желаемых структур в основном регулированием скорости охлаждения.

Подогрев способствует перлитному превращению и является действенным средством исключения закалочных структур. Поэтому он служит в качестве предварительной термической обработки сварных соединений (нагрев до сварки и в процессе её). Меняя скорость охлаждения, можно получить желаемую твёрдость в зоне термического влияния.

В некоторых случаях появляется необходимость увеличения скорости охлаждения. Путём ускоренного охлаждения удаётся измельчить зерно, повысить прочностные свойства и ударную вязкость в зоне термического влияния. С этой целью находит применение метод сопутствующего охлаждения. Сварное соединение в процессе сварки с обратной стороны дуги охлаждается водой или воздушной смесью, что способствует получению крутой ветви скорости охлаждения.

Технологическая прочность сварного шва.

Термин “Технологическая прочность” применяется для характеристики прочности конструкции в процессе её изготовления. В сварных конструкциях технологическая прочность лимитируется в основном прочностью сварных швов. Это один из важных показателей свариваемости стали.

Технологическая прочность оценивается образованием горячих и холодных трещин.

  1.  Горячие трещины.

Это хрупкие межкристаллические разрушения металла шва и зоны термического влияния. Возникают в твёрдо-жидком состоянии на завершающей стадии первичной кристаллизации, а так же в твёрдом состоянии при высоких температурах на этапе преимущественного развития межзернистой деформации.

Наличие температурно- временного интервала хрупкости является первой причиной образования горячих трещин. Температурно- временной интервал обуславливается образованием жидких и полужидких прослоек, нарушающих металлическую сплошность сварного шва. Эти прослойки образуются при наличии легкоплавких, сернистых соединений (сульфидов) FeS с температурой плавления 1189 С и NiS с температурой плавления 810 С. В пиковый момент развития сварочных напряжений по этим жидким прослойкам происходит  сдвиг металла, перерастающего в хрупкие трещины.

Вторая причина образования горячих трещин - высокотемпературные деформации. Они развиваются вследствие затруднённой усадки металла шва, формоизменения свариваемых заготовок, а так же при релаксации сварочных напряжений в неравновесных условиях сварки и при послесварочной термообработке, структурной и механической концентрации деформации.

  1.  Холодные трещины.

Холодными считают такие трещины, которые образуются в процессе охлаждения после сварки при температуре 150 С или в течении нескольких последующих суток. Имеют блестящий кристаллический излом без следов высокотемпературного окисления.

Основные факторы, обуславливающие появление холодных трещин следующие:

а) Образование структур закалки (мартенсита и бейнита) приводит к появлению дополнительных напряжений, обусловленных объёмным эффектом.

б) Воздействие сварочных растягивающих напряжений.

в) Концентрация диффузионного водорода.

Водород легко перемещается в незакалённых структурах. В мартенсите диффузионная способность водорода снижается: он скапливается в микропустотах мартенсита, переходит в молекулярную форму и постепенно развивает высокое давление, способствующее образованию холодных трещин, кроме того, водород, адсорбированный на поверхности металла и в микропустотах, вызывает охрупчивание металла.


Углеродистые стали: сварка и сопутствующие ей процессы.

Сплавы Fe и С, где процентное содержание углерода не превышает 2,14 %, называют углеродистыми сталями. Углерод оказывает сильное влияние на свойства сталей. Наличие других элементов обусловлено:

  1.  Технологическими особенностями производства - Mn, Si - для устранения вредных включений закиси железа , FeO и FeS.

Вокруг оторочки сернистого железа, начиная с 985 С, происходит оплавление, что ведёт к снижению технологической прочности сварного шва. Температура плавления MnS составляет 1620 С, кроме того, он пластичен.

  1.  Невозможностью полного удаления из металла (S, P, N, H)

Случайными причинами (Cr, Ni, Cu и другие редкоземельные металлы)

Углеродистые стали составляют основную массу сплава Fe-C, до 95 % аппаратуры и оборудования изготавливают из этих сталей.

В отечественной промышленности наиболее широко применяют стали с содержанием углерода до 0,22 %, редко от 0,22 до 0,3 %.

Структурно -фазовые превращения углеродистых сталей определяются диаграммой состояния Fe-C. В нормализованном состоянии имеют феррито- перлитную структуру. С точки зрения кинетики распада аустенита, у углеродистых сталей происходит превращение аустенита в перлит (второе основное превращение).

В зависимости от температуры охлаждения, степени переохлаждения, скорости охлаждения феррито - цементитной смеси получается различной степени дисперсионный перлит, сорбит, бейнит, троостит.

Низколегированные стали повышенной прочности.

 К низколегированным относят стали, содержащие в своём составе до 2 % легирующих элементов каждого в отдельности и до 5 % суммарно (Mn, Si, Cr, Ni).  Содержание углерода, как и у углеродистых сталей не превышает 0,22 %. Содержание S и P в низколегированных сталях такое же, как в качественных сталях.

При сварке, кинетика распада аустенита такая же, как и углеродистых сталей. При охлаждении на воздухе получается феррито- перлитная структура . Поэтому низколегированные стали повышенной прочности относят к хорошо свариваемым сталям.

Однако легирующие элементы существенно снижают критическую скорость охлаждения. При содержании в верхнем пределе и высоких скоростях охлаждения возможно подавление перлитного превращения и появления промежуточных и закалочных структур.

При уменьшении погонной энергии сварки и увеличении интенсивности охлаждения в металле шва и зоне термического влияния возрастает вероятность распада аустенита с образованием закалочных структур. При этом будет увеличиваться вероятность образования холодных трещин и склонность к хрупкому разрушению.

При повышенных погонных энергиях наблюдается рост зерна аустенита и образуется грубозернистая феррито- перлитная структура видманштетового типа с пониженной ударной вязкостью.

 Выбор тепловых режимов в основном преследует цель недопущения холодных трещин. Одним из самых технологичных средств, снижающих вероятность появления трещин, является подогрев. Температура подогрева определяется в зависимости от эквивалента углерода и толщины свариваемого проката. Необходимая температура подогрева возрастает с увеличением легированности стали и толщины свариваемого проката.

Низколегированные стали жаропрочные перлитные.

Хромомолибденовые стали 12МХ, 12ХМ, 15ХМ предназначены для работы в диапазоне температур -40... +560 С. В основном используются при температурах +475...+560 С. Их применение обусловлено низкой стоимостью и достаточно высокой технологичностью при изготовлении сварных конструкций и производстве отливок, поковок.

На участках, нагретых выше точки Ас(3), возможно образование мартенсита и троостита. Реакция стали на термический цикл сварки характеризуется разупрочнением в зоне термического влияния в интервале температуры Ас(3) - Т (0), который объясняется процессами отпуска. Протяжённость разупрочненного участка увеличивается про больших значениях погонной энергии сварки.

Мягкая разупрочненная прослойка может явиться причиной локальных разрушений сварных соединений в процессе эксплуатации, особенно при изгибающих нагрузках.

Устранение разупрочнения осуществляется последующей термической обработкой с фазовой перекристаллизацией в печах (объёмная термическая обработка).

Образование обезуглероженной (ферритной) прослойки - это специфический показатель свариваемости, присущий этим сталям.

В процессе последующей эксплуатации при температурах 450-600 С, происходит миграция углерода из металла шва в основной металл, или наоборот, когда имеет место различие в их легировании карбидообразующими элементами.

Стали системы Fe-C-Cr (хромистые стали)

 Хром - основной легирующий элемент. Он придаёт сталям ценные свойства: жаропрочность, жаростойкость (окалиностойкость, коррозионную стойкость). Чем больше содержание хрома, тем более высокой коррозионной стойкостью обладает сталь. Такое влияние хрома объясняется его способностью к самопассивированию даже в естественных условиях и образованию плотных газонепроницаемых оксидных плёнок при высоких температурах.

  1.  Специфика свариваемости сталей типа 15Х5М.

Склонность к закалке осложняет технологический процесс выполнения сварочных работ. В зоне термического влияния образуются твёрдые прослойки, которые не устраняются даже при сварке с подогревом до 350-400 С. Для полного устранения твёрдых прослоек необходимо применение дополнительных мер. Небольшая скорость распада хромистого аустенита, вызывающая склонность к закалке на воздухе, и фазовые превращения мартенситного характера снижают стойкость сталей к образованию трещине при сварке. Применение закаливающих на воздухе сталей для изготовления сварного оборудования приводит к образованию в сварных соединениях механической неоднородности.

      Механическая неоднородность, заключающаяся в различии свойств характерных зон сварного соединения, является следствием, с одной стороны, неоднородности термодеформационных полей при сварке структурно - неравновесных сталей, с другой - применения технологии сварки с отличающимися по свойствам сварочными материалами из-за необходимости обеспечения технологической прочности.

В настоящее время применяется два вида сварки:

  1.  Сварка однородными перлитными электродами, близкими по составу к основному металлу. При этом металл шва и зона термического влияния приобретают закалённую структуру и образуется широкая твёрдая прослойка.
  2.  Сварка с применением аустенитных  электродов. Поскольку аустенитные материалы не склонны к закалке, твёрдые прослойки образуются только в зоне термического влияния.

Хромистые мартенситно- ферритные стали.

У стали марки 08Х13 с содержанием углерода 0,08 %, термокинетическая диаграмма распада аустенита имеет две области превышения: в интервале 600-930 С, соответствующем образованию феррито- карбидной структуры , и 120-420 С - мартенситной. Количество превращённого аустенита в каждом из указанных температурных интервалов зависит, главным образом, от скорости охлаждения. Например, при охлаждении со средней скоростью 0,025 С/с превращение аустенита происходит преимущественно в верхней области с образованием феррита и карбидов. Лишь 10 % аустенита в этом случае превращается в мартенсит в процессе охлаждения от 420 С. Повышение скорости охлаждения стали до 10 C/c способствует переохлаждению аустенита до температуры начала мартенситного превращения (420 С) и полному его бездиффузионному превращению. Изменения в структуре, обусловленные увеличением скорости охлаждения, сказываются и на механических свойствах сварных соединений. С возрастанием доли мартенсита наблюдается снижение ударной вязкости.

Увеличение содержания углерода приводит к сдвигу в область более низких температур границы превращения мартенсита. У сталей с содержанием углерода 0,1- 0,25  % в результате этого полное мартенситное превращение имеет место после охлаждения со скоростью  ~/c.

С точки зрения свариваемости, мартенситно- ферритные стали являются “неудобными” в связи с высокой склонностью к подкалке в сварных соединениях этих сталей. Подкалка приводит к образованию холодных трещин. Склонность к образованию трещин при сварке зависит от характера распада аустенита в процессе охлаждения. В случае формирования мартенситной структуры ударная вязкость сварных соединений 13 %-ных хромистых сталей снижается до 0,05-0,1 МДж/м(^). Последующий отпуск при 650-700 С приводит к распаду структуры закалки, выделению карбидов, в результате чего тетрагональность мартенсита уменьшается. После отпуска ударная вязкость возрастает до 1МДж/м^2. С учётом такой возможности восстановления ударной вязкости большинство марок хромистых сталей имеет повышенное содержание углерода для предотвращения образования значительного количества феррита в структуре. Таким образом, удаётся предотвратить охрупчивание стали. Однако при этом наблюдается ухудшение свариваемости вследствие склонности сварных соединений к холодным трещинам из-за высокой хрупкости околошовного металла со структурой пластинчатого мартенсита.

Аустенитные коррозионностойкие стали.

 Аустенитные стали содержат в своём составе Cr, Ni, C. По реакции на термический цикл хромоникелевые стали относят к хорошо свариваемым. При охлаждении они претерпевают однофазную аустенитную кристаллизацию неперлитного распада, тем более мартенситного превращения при этом не происходит.

Характерным показателем свариваемости хромоникелевых сталей является межкристаллитная коррозия (МКК).

МКК развивается в зоне термического влияния, нагретой до температур 500-800 С (критический интервал температур).

При пребывании металла в опасном (критическом) интервале температур по границам зерен аустенита выпадают карбиды хрома Cr(4)C, что приводит к обеднению приграничных участков зерен аустенита хромом. Хром определяет коррозионную стойкость стали. В обеднённых хромом межкристаллитных участках развивается коррозия, которая называется межкристаллитной.

Межкристаллитная коррозия имеет опасные последствия - может вызвать хрупкие разрушения конструкций в процессе эксплуатации.

Чтобы добиться стойкости стали против межкристаллитной коррозии, нужно исключить или ослабить эффект выпадения карбидов. т. е. стабилизировать свойства стали.

Аустенитно- ферритные нержавеющие стали.

Аустенитно- ферритные стали относятся к группе хорошо свариваемых сталей. Они стойки к образованию горячих трещин против межкристаллитной коррозии.

Специфичным моментом свариваемости является их повышенная склонность к росту зерна. Наряду с ростом ферритных зерен возрастает общее количество феррита. Последующим быстрым охлаждением фиксируется  образовавшаяся структура. Размеры зерна и количество феррита, а также ширина зоны перегрева зависят от погонной энергии сварки, соотношения структурных составляющих в исходном состоянии и чувствительности стали к перегреву. Соотношение количества структурных составляющих (гамма - и альфа- фаз) в исходном состоянии в значительной степени зависит от содержания а стали Ti. Количество титана в стали также определяет устойчивость аустенитной фазы против гамма- альфа превращения при сварочном нагреве. Чем выше содержание Ti, тем чувствительней сталь к перегреву. Вследствие роста зерна и уменьшения количества аустенита наблюдается снижение ударной вязкости металла околошовной зоны и угла загиба сварных соединений аустенитно- ферритных сталей. Менее чувствительными к сварочному нагреву являются стали, не содержащие титан, - это стали 03Х23Н6 и 03Х22Н6М2.

Особенности сварки аппаратуры из разнородных сталей.

Специфическими показателями свариваемости разнородных сталей являются процессы диффузии и разбавления.

Наибольшую опасность представляет диффузия С в сторону высоколегированной стали, где большая концентрация Cr или других карбидообразующих элементов.

Разбавление происходит при перемешивании свариваемых сталей и присадочного материала в объёме сварочной ванны.

Сталь более легированная разбавляется сталью менее легированной. Степень разбавления зависит от доли участия каждого из составляющих разнородное сварное соединение.

 

Общие сведения о металлургических процессах при сварке в
инертных газах.

Сварку сталей осуществляют обычно под флюсом, в среде оксида углерода (IV), но бывают случаи, когда целесообразно применять аргонно- дуговую сварку, - например для упрочнения средне и высоколегированных сталей.

Низкоуглеродистые низколегированные стали, особенно кипящие, склонны к пористости вследствие окисления углерода:

Fe(3)C + FeO = 4Fe + CO ;

Этот процесс идёт за счёт кислорода, накопленного в сталях во время их выплавки, но может возникать за счёт примеси к Ar марок В и Г, за счёт влажности газа и содержащегося в нём кислорода.

Для подавления этой реакции в сварочной ванне нужно иметь достаточное раскислителей (Si, Mn, Ti), т. е. использовать сварочные проволоки Св08ГС или Св08Г2С. Можно снизить пористость путём добавки к аргону до 50 % кислорода, который, вызывая интенсивное кипение сварочной ванны, способствует удалению газов до начала кристаллизации. Добавка кислорода к аргону снижает также критическое значение сварочного тока, при котором осуществляется переход от крупнокапельного переноса металла в дуге к струйному, что повышает качество сварки.

Среднелегированные углеродистые стали обычно содержат в своём составе достаточное количество активных легирующих компонентов для подавления пористости, вызываемой окислением углерода. Это обеспечивает плотную структуру шва, а шва состав металла шва соответствует основному металлу, если электродные проволоки имеют так же близкий состав.

Аустенитные коррозионностойкие и жаропрочные стали (12Х18Н10Т и др.) хорошо свариваются в среде аргона как плавящимся, так и неплавящимся электродом. При сварке этих сталей обычно не требуется каких-либо дополнительных мероприятий, но аустенитно- мартенситные стали очень чувствительны к влиянию водорода, который их сильно охрупчивает и даёт замедленное разрушение в виде холодных трещин.  

Сварка алюминия и его сплавов

 Сварка алюминия и его сплавов затруднена наличием оксидных плёнок  Al(2)O(3) с температурой плавления около 2300 С. Оксиды алюминия способствуют образованию пор в металле шва и снижают стабильность горения дугового разряда при сварке вольфрамовым электродом на переменном токе.

Оксид алюминия (III) может гидратироваться, и при попадании в сварочную ванну, он будет обогащать её водородом, что приведёт к пористости в сварном соединении, поэтому перед сваркой кромки изделия травят в щелочных растворах, механически зачищают металл и обезжиривают его поверхность. Электродная проволока так же подвергается травлению и механической зачистке. Для снижения пористости рекомендуется дополнительная сушка аргона.

Добавление к аргону хлора, фтора или летучих фторидов снижает пористость, но повышает токсичность процесса.

Сварка магниевых сплавов

 Сварка магниевых сплавов (МА2, МА8, МА2-1) в основном похожа на сварку алюминиевых сплавов, но оксид магния (II), составляющий основную часть поверхностного слоя, менее прочно связан с металлом и не обладает такими защитными свойствами, как оксид алюминия (III). Основные дефекты при сварке алюминиевых и магниевых сплавов - пористость и наличие оксидных включений в металле шва, так как оксиды Al(2)O(3) и MgO обладают большей плотностью, чем жидкий металл и не растворяются в нём.

Сварка титана и его сплавов

 При сварке титана и его сплавов (ВТ1, ВТ5, ОТ4) возникает сложность с исключительной химической активностью титана. Титан реагирует с кислородом, азотом, углеродом, водородом, и наличие этих соединений приводит к резкой потере пластичности металла сварного соединения.

Особенно титан чувствителен к водороду, с которым он образует гидриды, разлагающиеся при высокой температуре, а при кристаллизации образуются игольчатые кристаллы, которые нарушают связь между металлическими зёрнами титана (замедленное разрушение).

            Сварка меди и её сплавов.

 При сварке меди и её сплавов получение качественного шва  - без пор, с требуемыми физическими свойствами  - весьма затруднительно. Это связано с наличием в исходном металле закиси меди и высокой склонности меди к поглощению водорода. Возможна сварка меди и её сплавов в защитных газах - аргоне и гелии, а так же в азоте, который по отношению к этому металлу является инертным газом.

Сварку ведут неплавящимся электродом на постоянном токе прямой полярности с подачей присадочной проволоки.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ В РАБОТЕ ЛИТЕРАТУРЫ.

  1.  А. В. Бакиев “Технология аппаратостроения”, Уфа 1995 год.
  2.  “Сварка в машиностроении” т. 1 под редакцией Н. А. Ольшанского.
  3.   “ Теория сварочных процессов” под редакцией В. В. Фролова.  


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

7029. Информация в системе управления 224.5 KB
  Информация в системе управления Эта тема раскрывает осваивающим менеджмент следующие вопросы: понятие информации построение информационной модели информация как предмет и продукт управленческого труда носители информации ...
7030. Общая характеристика производства по делам об административных правонарушениях. Субъекты и участники производства по делам об административных правонарушениях 192.5 KB
  Общая характеристика производства по делам об административных правонарушениях. Субъекты и участники производства по делам об административных правонарушениях Производство по делам об административных правонарушениях как вид административных произво...
7031. Руководство и групповая динамика 158.5 KB
  Тема 10 Руководство и групповая динамика Руководство: власть и влияние. Формы и виды власти. Реализация власти посредством распоряжения. Подходы к руководству людьми. Групповая динамика. I. В основе управленческих действий находится влияние. В...
7032. Механизм управления (методы и средства воздействия) 664 KB
  Тема 9 Механизм управления (методы и средства воздействия) В этой теме начинающие менеджеры найдут ответы на следующие вопросы: понятие и классификация методов управления методы как инструменты воздействия блоки характеристик труда цели и...
7033. Связующие процессы в менеджменте 185 KB
  Тема 9 Связующие процессы в менеджменте Информация как ресурс управления. Коммуникации и коммуникационный процесс. Процесс принятия решения. Модели и методы принятии решения. I. Организованная и направленная на достижение определенной цели деятельно...
7034. Процесс управления. Понятие процесса управления 437 KB
  Тема 8 Процесс управления В этой теме для изучающих менеджмент будут освещены следующие вопросы: понятие процесса управления свойства процесса управления содержание процесса управления этапы процесса управления стадии процесса управлен...
7035. Оценка эффективности автоматизированных информационных технологий управления 71.5 KB
  Оценка эффективности автоматизированных информационных технологий управления Подходы к оценке эффективности автоматизированных информационных технологий управления Показатели общественной эффективности автоматизированных информационных т...
7036. Производство по административно-правовым жалобам и спорам 109.5 KB
  Тема 8. Производство по административно-правовым жалобам и спорам Основные вопросы: Общая характеристика производства по административно-правовым жалобам и спорам. Стадии производства по административно-правовым жалобам. Принципы производст...
7037. Управленческие стратегии. Методы стратегического анализа и формирования стратегий 157.5 KB
  Тема 8 Управленческие стратегии Стратегия и процесс ее формирования. Виды стратегий. Процесс стратегического планирования. Методы стратегического анализа и формирования стратегий. Общая концепция того, как достигаются главные цели организа...