Сварка плавлением

1. Понятие о  сварке плавлением.

 

  Сварка - это один из ведущих технологических  процессов обработки металлов. Большие  преимущества сварки обеспечили её широкое  применение в народном хозяйстве. С  помощью сварки осуществляется производство судов, турбин, котлов, самолётов, мостов, реакторов и других необходимых конструкций.

Сваркой  называется технологический процесс получения  неразъёмных  соединений посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их местном или общем нагреве, или пластическом деформировании, или совместным действием того и другого.

  Сварка  плавлением осуществляется нагревом свариваемых  кромок до температуры плавления  без сдавливания свариваемых  деталей.

  При нагреве с повышением температуры  снижается твёрдость металла  и возрастает его     пластичность. Металл, твёрдый и малопластичный при комнатной температуре, при достаточном нагреве может стать очень мягким и пластичным. Дальнейшим повышением температуры можно довести металл до расплавления; в этом случае отпадают все затруднения, связанные с твёрдостью металла; объёмы жидкого металла самопроизвольно сливаются в общую сварочную ванну.

  Во  многих случаях на процесс сварки существенно влияют загрязнения  поверхности металла: преимущественно  окислы и жировые плёнки. Эти загрязнения, попадая в сварное соединение, могут снижать качество сварки. Они, в отличие от адсорбированных газов, могут быть удалены с поверхности металла механически (щётками, абразивами и т.д.) или химически (растворителями, травителями, и флюсами).

  Специфическим для сварки средством очистки служат флюсы, растворяющие окислы при повышенных температурах. Помимо устранения загрязнений с поверхности металла, принимаются меры к уменьшению загрязнения металла в процессе сварки, в первую очередь окислами. Для этой цели используются флюсы, шлаки, защитные газы, вдуваемые в зону сварки.

  Простейшие  виды сварки плавлением известны с  глубокой древности, например литейная сварка. Современная схема сварки плавлением показана на рис. 1. 
 

  

   

  Рис. 1. Схема сварки плавлением.

  К соединяемым деталям в месте  сварки подводят сварочное пламя; производят местное расплавление деталей до образования общей сварочной  ванны жидкого металла. После удаления сварочного пламени металл ванны быстро охлаждается и затвердевает, в результате детали оказываются соединёнными в одно целое. Перемещая пламя по линии сварки, можно получить сварной шов любой длины. Сварочное пламя должно иметь достаточную тепловую мощность и температуру; сварочную ванну нужно образовывать на сравнительно холодном металле: теплопроводность металлов высока и быстро образовать ванну может только очень горячее пламя. Опыт показывает, что для сварки стали толщиной несколько миллиметров температура сварочного пламени должна быть не ниже 2700-3000°C. Пламя с меньшей температурой или совсем не образует ванны или образует её слишком медленно, что даёт низкую производительность сварки и делает её экономически не выгодной. Источники тепла, развивающие столь высокие температуры, появились относительно недавно.

  Сварочное пламя расплавляет как металл, так и загрязнения на его поверхности, образующиеся шлаки всплывают на поверхность ванны. Горячее пламя  сильно нагревает металл на поверхности, значительно выше точки плавления; в результате меняется химический состав металла и его структура после затвердевания; изменяются и механические свойства. Затвердевший металл ванны, так называемый металл сварного шва обычно по своим свойствам отличается от основного металла, незатронутого сваркой. Сварка плавлением отличается значительной универсальностью; современными сварочными источниками легко могут быть расплавлены почти все металлы, возможно соединение разнородных металлов.

  Характерный признак сварки плавлением; выполнение её за один этап-нагрев сварочным пламенем, в отличие от сварки давлением. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Окисление металла и установление сродства элемента к кислороду.

 

  Самопроизвольное  окисление металлов, вредное для  промышленной практики (уменьшающее долговечность изделий), называется коррозией. Среда, в которой металл подвергается коррозии (коррозирует), называется коррозионной, или агрессивной. При этом образуются продукты коррозии: химические соединения, содержащие металл в окисленной форме.

  В тех случаях, когда окисление  металла необходимо для осуществления  какого-либо технологического процесса, термин «коррозия» употреблять не следует. Например, нельзя говорить о коррозии  растворимого анода в гальванической ванне, поскольку анод должен окислятся, посылая свои ионы в раствор, чтобы протекал нужный процесс. Нельзя также говорить о коррозии алюминия при осуществлении алюмотермического процесса. Но физико-химическая сущность изменений, происходящих с металлом во всех подобных случаях, одинакова: металл окисляется.

  Следовательно, термин «коррозия» имеет не столько  научное, сколько инженерное значение. Правильнее было бы употреблять термин «окисление», независимо от того вредно или полезно оно для нашей  практики.

  Коррозия  является естественным процессом, обусловленным термодинамической нестойкостью металлов в условиях службы. Естественно поэтому, что изучение коррозии и разработка методов защиты металлов от нее представляют несомненный теоретический интерес и имеют большое народнохозяйственное значение.

  Химическое  и электрохимическое окисление  металлов.

  Кинетика  процессов окисления зависит  от природы среды, содержащий окислитель. Если среда представляет собой электролит (очень частый случай), окисление  протекает по электрохимическому механизму:

  Me à Mez+ + ze                                                                                                (1)

  n ox + ze àm red                                                                                                (2)

  где ox-окислитель, а red- восстановленная форма его.

  Реакции (1) и (2) протекают сопряжено на анодных и катодных участках, площадью и ,соответственно, но подчиняясь каждая своим кинетическим закономерностям. Необходимо только соблюдение условия стационарности процесса, т. е. равенства скоростей окисления металла и восстановления. Из условия стационарности вытекает, что достаточно затормозить одну из сопряженных реакций, чтобы скорость всего процесса уменьшилась.

  Если  окислитель не является электролитом, то обмен электронами совершается  непосредственно между металлом и окислителем:

  m Me + n ox à Mem(red)n

  Здесь окисление протекает по химическому  механизму.

  Таким образом, принято различать электрохимическую  и химическую коррозию, хотя такое  разделение в некоторой степени  условно.

  Общие положения электрохимической теории коррозии.

  Рассмотрим  схему коррозионного процесса. Сложность его заключается в том, что на одной и той же поверхности происходят одновременно два процесса, противоположные по своему химическому смыслу: окисление металла и восстановление окислителя. Оба процесса должны протекать сопряжено, чтобы сохранялось равенство числа электронов, отдаваемых металлом и присоединяющихся к окислителю в единицу времени. Только в этом случае может наступить стационарное состояние.

  Электрохимический механизм протекания процесса предполагает, что окисление и восстановление подчиняются свойственным им зависимостям между потенциалом и током, где  ток выражает скорость процесса. Кинетика коррозии определяется кинетикой окисления  металла и восстановления окислителя. Необязательно, чтобы эти два процесса происходили на одной точке поверхности металла. Электрон, освобожденный металлом в одной точке, может переместиться в соседнюю и там присоединиться к окислителю. Перемещение электрона в пределах металла на малые расстояния происходит практически беспрепятственно, вследствие высокой электронной проводимости. Точки, где осуществляются элементарные акты окисления и восстановления, могут мигрировать на поверхности металла, меняться местами и т. д. ,подчиняясь законам случайности. Под влиянием различных причин они могут быть фиксированы на поверхности, вызывая местную коррозию. Это особенно свойственно полифазным сплавам. 

  

  Рис. 2. Простейшая коррозионная диаграмма: а – анодная кривая; к – катодная кривая;

,  - равновесные потенциалы металла и окислителя;  - стационарный потенциал коррозирующего металла. 

  Независимое, но сопряженное протекание процессов окисления и восстановления позволяет рассматривать коррозию при помощи анодных и катодных поляризационных кривых. На рис.2 показана коррозионная диаграмма для металла и окислителя. Чтобы окисление металла окислителем могло иметь место, должен быть отрицательнее, чем . Попробуем отделить пространственно металл от окислителя, построив, например, гальванический элемент вида: 
 

   ,

  где Me-активный металл, который может  окисляться; ox и red-окисленная и восстановленная     форма  окислителя; Me /-некоторый “гипотетический” инертный металл, который не может окисляться данным окислителем, но на котором кинетика процесса ox à red такова же, как на активном металле Me. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   

3. Технология  сварки н/л конструкционных сталей повышенной прочности 09Г2С, 14Г2.

 

   К низкоуглеродистым конструкционным  сталям, из которых в настоящее  время изготовляют большинство  сварных конструкций, по принятой в сварочной технике классификации относят стали с содержанием 0,25% С. Данные о составе и свойствах некоторых низкоуглеродистых конструкционных сталей, широко применяемых для изготовления сварных конструкция в виде листов и фасонного проката, приведены в табл. 1, 2 и 3. примерно такой же состав имеют низкоуглеродистое стальное литье  поковки, применяемые для изготовления сварно-литных и сварно-кованных конструкций.

   Особенности сварки. Низкоуглеродистые стали  относятся к числу хорошо сваривающихся  металлов. Для этих сталей технологию сварки выбирают из условий обеспечения комплекса требований, главные из которых достижение равнопрочности сварного соединения с основным металлом и отсутствие дефектов в сварном соединении. Для этого механические свойства металла шва, околошовной зоны и сварного соединения в целом должны быть не ниже минимальных механических свойств основного металла. В ряде случаев с учетом конкретных условий работы конструкции допускается снижение требований к отдельным показателям механических свойств сварного соединения по сравнению с требованиями, предъявляемыми к основному металлу.

   В металле швов не должно быть трещин, непроваров, пор, подрезов и других дефектов, они должны иметь требуемые по чертежу размеры и форму. Сварное соединение должно быть стойким против перехода в хрупкое состояние. Изменение формы и размеров (деформация) конструкции должно находиться  в допустимых, не отражающихся на ее работоспособности пределах.

   В некоторых случаях дополнительно  вводят требования высокой коррозионной стойкости сварных соединений, их работоспособности в условиях вибрационных и ударных нагрузок, повышенных или пониженных температур и другие специальные требования.

   Механические  свойства металла шва и сварного соединения зависят от его структуры, определяемой химическим составом, условиями  остывания сварной конструкции и термообработкой. При сварке низкоуглеродистой стали металл шва незначительно отличается по составу от основного металла. Это отличие в основном сводится к снижению содержания в металле шва углерода (так как металл электродного стержня или электродной проволоки содержит меньше углерода, чем основной металл) и повышению содержания марганца и кремния (табл. 4).

   Снижение  прочности металла шва вследствие уменьшения содержания в нем углерода при дуговой сварке полностью компенсируется за счет увеличения скорости его остывания и легирования металла через проволоку, покрытие или флюс марганцем или кремнием. В сварочной практике обеспечение равнопрочности металла шва при дуговой сварке низкоуглеродистой стали не вызывает затруднений. При электрошлаковой сварке для обеспечения равнопрочности металла шва с основным металлом обычно применяют низколегированную проволоку марки Св-10Г2.

   Таблица 1

   

   П р и м е ч а н и е. Для сталей группы В, выпускаемых  по ГОСТ 380-71, не допускается превышение углерода в готовом прокате по сравнению с верхним пределом марочного состава. Для стали марки С по ГОСТ 5521-67 сталей по ГОСТ 1050-60 превышение углерода в готовом прокате допускается на 0,01%. Допускаемые отклонения плавочного состава и состава металла готового проката указаны в соответствующих ГОСТах. 
 
 
 
 

    Таблица 2

   Таблица 3

   

   П р и м е ч а н и е. 1 Допускаемые отклонения механических свойств указаны в соответствующих  ГОСТах.