Курсовая работа: Экспериментальное исследование сварочных процессов
4. Целлюлозные покрытия (Ц) построены на газообразующих веществах (целлюлоза). В некоторые покрытия этого типа вводят небольшие количества оксидов железа, марганца и титана. Для раскисления сварочной ванны добавляют ферромарганец и ферросилиций. Покрытия такого типа имеют электроды ОМА-2, применяемые для сварки сталей малых толщин, ВСП-1 (с железным порошком), ВСЦ-2.
В настоящее время продолжается работа по разработке новых малотоксичных электродов с пониженным содержанием флюорита (CaF2 ) и пониженным содержанием марганца.
Общие требования к электродам: точность размеров, соосность покрытия и стержня, прочность сцепления покрытия с металлическим стержнем (сколы), гарантированные механические свойства наплавленного металла. Каждая партия электродов имеет соответствующий паспорт.
Рассмотрим металлургические процессы при сварке электродами различных групп.
Электроды группы А при сварке создают значительное количество газов (СО2; СО; H2 ; H2 O) в результате разложение и окисления органических компонентов и обеспечивают хорошую защиту от атмосферного воздуха.
Содержание гематита Fе2 Оз в покрытиях этого типа требует значительного количества раскислителей, главным образом ферромарганца. Так, в электродах ЦМ-7 содержится до 33% гематита и около 30% ферромарганца, что достаточно для восстановления почти всего железа, но все же в сварочную ванну переходит достаточное количество марганца.
Электроды группы Б при сварке осуществляют защиту зоны сварки вследствие разложения мрамора СаСО3 , а оксид кальция СаО уходит на образование шлаковой системы основного типа СО — СаF2 . Атмосфера сварочной дуги состоит из СО, СО2 , Н2 и Н2 О. Пары воды выделяются из покрытия и во избежание появления водорода в зоне сварки эти электроды надо перед сваркой прокаливать при температуре 470.. .520 К (до 570 К) .
Содержание в покрытии нескольких раскислителей позволяет получить хорошо восстановленный металл, содержащий мало серы и не склонный к образованию горячих трещин. При сварке высокопрочных, жаропрочных сталей применяют покрытия с повышенным содержанием СаСО3 (15...20%), увеличивая CaF2 (60…80%). В этом случае удается избежать поглощения углерода сварочной ванной и обеспечить содержание углерода в металле шва на уровне (0,05.. .0,02%) С, как это требуется по техническим условиям. Недостаток этих электродов — малая устойчивость дугового разряда, требующая сварки на постоянном токе обратной полярности. Таким образом, технологические сложности электродов группы Б несколько ниже, чем электродов группы А. Повышенное содержание СаF2 вызывает образование токсичных соединений и требует создания надежной вентиляции.
Электроды группы Р осуществляют защиту зоны сварки шлаками на основе ТiO2 , полевого шпата, магнезит, который, разлагаясь, дает большой объем СО2 , но, кроме того, защитная атмосфера пополняется органическими компонентами. Электроды этой группы обладают высокими технологическими свойствами — обеспечивают высокую устойчивость горения дуги, хорошее формирование шва и отделяемость шлаковой корки, возможность сварки в любомпространственном положении шва. Кроме того, рутиловые электроды малотоксичны и обеспечивают высокие механические свойства у наплавленного металла.
Электроды группы Ц с органическим покрытием содержат своем составе до 50% органических веществ (пищевая мука, целлюлоза) и при их разложении и окислении выделяется большое количество газа, обеспечивающего хорошую защиту от воздушной среды. Для предотвращения водородной хрупкости или появления пор при сварке надо вводить окислители: ТiO2 , МnO2 . Для уменьшения влияния водорода в покрытия вводят также плавиковый шпат СаF2 . Надежная газовая защита позволяет снижать относительную массу покрытия: Кп ≈ 20%. Технологические свойства электродов типа Ц (ОМА – 2, ВСЦ , ВСП)довольно высокие и их применяют при сварке в различных пространственных положений.
2.2 Описание металлургических процессов обеспечивающих получение качественных соединений
Высокие температуры, используемые при сварке плавлением, с одной стороны, понижают термодинамическую устойчивость оксидов, но, с другой стороны, скорость их образования резко увеличивается и за очень небольшое время сварочного цикла металлы поглощают значительное количество кислорода. Поглощенный кислород может находиться в металле или растворенном состоянии в виде оксидов или субоксидов, а также может создавать неметаллические включения эндогенного типа, образовавшиеся при раскислении металла более активными элементами. И то, и другое резко снижает качество сварных соединений, особенно пластичность металла шва. Исследования этого вопроса показали, что основная масса кислорода в металле обычно находится в неметаллических включениях. Источниками кислорода в металле при сварке служат окислительно-восстановительные реакции между металлом и атмосферой сварочной дуги, металлом и шлаками, образующимися в результате плавления флюсов или при разложении и плавлении компонентов электродного покрытия, а также взаимодействии с наполнителям порошковой проволоки.
Особенно велики скорости взаимодействия металла с окружающей средой в высокотемпературной зоне сварки , к которой следует отнести каплю плавящегося металла на торце электрода или электродной проволоки, дуговой или плазменный разряд и переднюю часть ванны. Более медленно эти процессы развиваются в хвостовой части ванны, так как там температура приближается к температуре кристаллизующегося металла. Температурный перепад между этими зонами настолько велик, что реакции окисления – восстановления меняют свое направление. Так в капле плавящегося на электроде металла происходит интенсивное поглощение кремния и марганца в результате окисления железа, в то время как в хвостовой части сварочной ванны кремний и марганец восстанавливают железо, окисляясь сами.
Кроме того, взаимодействие металла с кислородом при сварке осложняется образованием растворов оксидов в металлах, а это сильно изменяет термодинамическую устойчивость из-за возрастания энтропии в процессе растворения.
Раскисление металла сварочной ванны.
Восстановление металла сварочного соединения требует удаления кислорода из сварочной ванны, пока она находится в жидком состоянии.
Восстановление или раскисление сварочной ванны можно осуществлять несколькими способами:
1. Извлечение его более активными металлами – раскисление осаждением.
2. Восстановление металла газовой атмосферой, контактирующей с металлом сварочной ванны.
3. Извлечение оксидов из металлической ванны, путем обработки ее шлаками.
Все эти методы реализуются в сварочной технологии, но для различных металлов они будут применяться с различным успехом. Так, для металла с высокой термодинамической устойчивостью оксидов эти способы восстановления почти не дают эффекта и для получения качественного соединения из этих металлов необходима по возможности полная изоляция их от окисляющей атмосферы.
Легирование металла шва при ручной сварки покрытыми электродами. Металл шва образуется из основного металла, электродной проволоки и покрытия, легирование осуществляется следующим образом:
- легирование путем введения в покрытие электрода порошкообразных металлических добавок или ферросплавов – марганца, кремния, титана.
- легирование в результате восстановления оксидов, входящих в состав покрытия, легко осуществляемое для малоактивных металлов и ограниченное для таких элементов, как марганец, кремний и хром.
- легирование путем изменения состава электродных проволок, дающие самые стабильные результаты.
- легирование в результате расплавления основного металла, что имеет место при сварке высокопрочных и теплоустойчивых сталей.
2.3 Термодинамическое исследование одного из вероятных металлургических процессов
Исследуемая реакция:
Na+F=NaF
Вероятность протекания реакции при данной температуре определим по формуле:
ΔGт º = ΔHº298 - ΔSº298 . T - ΔCºp298 . f(T). T