Металлургические процессы при газовой сварке

Металлургические процессы при газовой сварке характеризуются следующими особенностями: малым объемом ванны расплавленного металла; высокой температурой и концентрацией тепла в месте сварки; большой скоростью расплавления и остывания металла; интенсивным перемешиванием металла жидкой ванны газовым потоком пламени и присадочной проволокой; химическим взаимодействием расплавленного металла с газами пламени.

В восстановительной (средней) зоне пламени, состоящей из окиси углерода СО и водорода Н₂, могут также присутствовать следующие вещества: пары воды Н₂0, углекислый. газ СО₂, азот N₂, атомарный водород Н и свободный углерод С. Однако содержание этих веществ в средней зоне невелико и их можно не принимать во внимание при рассмотрении реакций взаимодействия между металлом и газами пламени.

Основными в сварочной ванне являются реакции окисления и восстановления. Наиболее легко окисляются магний, алюминий, обладающие большим сродством к кислороду. Окислы этих металлов не восстанавливаются водородом и окисью углерода, поэтому при сварке этих металлов необходимы специальные флюсы. Окислы железа и никеля, наоборот, хорошо восстанавливаются окисью углерода и водородом пламени, поэтому при газовой сварке этих металлов флюсы не нужны.

При избытке в пламени исходят реакции окисления железа, углерода кремния по уравнениям:

Железо:

Образующаяся закись железа FеО может окислять марганец, кремний и углерод по реакциям:

Марганец:

Кремний:

Так как образующиеся окислы МnО и SiO₂ переходят в шлак, то количество раскислителей (марганца и кремния) в металле шва уменьшается. Это может привести к появлению избытка кислорода в наплавленном металле и ухудшению его механических свойств.

Углерод:

При выходе окиси углерода из сварочной ванны происходит кипение и разбрызгивание металла.

При отсутствии избытка кислорода и восстановительном характере пламени в сварочной ванне будут протекать реакции восстановления, обратные приведенным выше, а именно :

Восстановление железа окисью углерода:

Восстановление железа водородом:

Водород способен хорошо растворяться в жидком железе. При быстром остывании сварочной ванны он может остаться в шве в виде мелких газовых пузырей. Однако газовая сварка обеспечивает более медленное охлаждение металла по сравнению, например, с дуговой сваркой. Поэтому при газовой сварке углеродистой стали весь водород успевает выделиться из металла шва и последний получается плотным.

Значительно большую опасность водород представляет при сварке меди и латуни, так как может вызывать «водородную болезнь» (растрескивание) меди и пористость шва при сварке латуни.

Восстановление железа из его закиси FеО производится марганцем и кремнием в сварочной ванне по приведенным выше реакциям окисления этих примесей кислородом закиси железа, растворенной в жидком металле.

Если в пламени имеется избыток углерода, то он может переходить в металл и науглероживать его по реакциям:

Свободный углерод образуется в пламени при разложении ацетилена по реакции С₂Н₂->2С+Н₂.

Структурные изменения в металле при газовой сварке. Вследствие более медленного (по сравнению с дуговой сваркой) нагрева зона влияния при газовой сварке больше, чем при дуговой.

Слои основного металла, непосредственно примыкающие к сварочной ванне, перегреты и приобретают крупнозернистую структуру. Крупнозернистое строение получает и металл шва, кристаллизующийся на крупных зернах застывающего металла кромок. В непосредственной близости к границе шва находится зона неполного расплавления основного металла с крупнозернистой структурой, характерной для перегретого металла. В этой зоне прочность металла ниже, чем прочность металла шва, поэтому здесь обычно и происходит разрушение сварного соединения.

Далее расположен участок перекристаллизации, характеризуемый также крупнозернистой структурой, для которого температура нагрева была ниже температуры плавления металла, но выше 1100-1200°С (при сварке стали).

Последующие участки нагреваются до более низких температур и имеют мелкозернистую структуру нормализованной стали. Если содержание углерода в стали более 0‚3%‚ то в этой части зоны теплового влияния возможно образование более твердых и хрупких закалочных структур.

При газовой сварке углеродистых сталей малых толщин зона теплового влияния основного металла располагается на 8-15 мм, а средних толщин - на 20-25 мм в ту и другую сторону от шва. Характер изменения структуры металла в зоне теплового влияния определяется составом металла (сплава) и его состоянием перед сваркой. Для улучшения структуры и свойств металла шва и околошовной зоны иногда применяют горячую проковку шва и местную термообработку нагревом сварочным пламенем или общую термообработку с нагревом в печи.