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

8528. Цінності та перспективи християнської моралі 20.98 KB
  Тема уроку: Цінності та перспективи християнської моралі (11-кл.) Мета уроку: Н: Ознайомити учнів з основними поняттями мораль, християнська мораль, визначити їхню важливість та перспективи в сучасному світі Р: Сприяти розвитку пізнавального інтере...
8529. Державний лад. Форми правління. Урок 53.61 KB
  Тема уроку. Державний лад. Форми правління. Мета уроку: ознайомити учнів з основними аспектами питання про державний лад та форми правління розвивати в учнів здатність застосовувати отримані знання на практиці виховувати в ліцеїстів...
8530. Початок Української революції. Утворення Центральної Ради 58 KB
  Початок Української революції. Утворення Центральної Ради. Мета: зясувати причини, мету, програму діяльності Центральної ради, розглянути перший етап Української революції та його особливості, розвивати навички аналізу історичних фактів, вмін...
8532. Философия науки неопозитивизма: основные концепции 23.06 KB
  Философия науки неопозитивизма: основные концепции Третий этап позитивизма: неопозитивизм. (40-е гг. 20 в.) Основные представители: Шлик, Нейрат, Карнар, Айер. Главная задача философии неопозитивизма - это анализ языка науки, поэтому этот этап ...
8533. Постпозитивизм. проблема демаркации эмпирических и теоретических наук 19.63 KB
  Постпозитивизм. проблема демаркации эмпирических и теоретических наук Позитивизм - направление в науке и философии, исходящее из позитивного, т. е. из данного, устойчивого, фактического, несомненного, и ограничивает им свое изложение и исслед...
8534. Бытие как философская категория: основные формы и диалектика бытия 21.33 KB
  Бытие как философская категория: основные формы и диалектика бытия Бытие —- это философская категория, обозначающая независимое от сознания существование объективной реальности - космоса, природы, человека. Впервые понятие...
8535. История развития философского понятия материя 20.26 KB
  История развития философского понятия материя Уже в древности философы пытались представить видимое многообразие вещей как проявление видимого начала. Это общее, несотворимая и неуничтожимая основа всех вещей получила название субстанции. Формирован...
8536. Движение как коренное свойство материи 14.71 KB
  Движение как коренное свойство материи Материя обладает неотъемлемыми свойствами - атрибутами, главными из которых являются движение, пространственно временная определенность и отражение. Структурность материи, существование в ней определенного типа...