Для сварки стали 45 выбираем ручную дуговую сварку покрытыми электродами.
Параметры для сварки выбираем исходя из задания курсовой работы и заносим их в таблицу 4.
Таблица 4- Исходные данные для сварки стали 45.
| Точечный источник постоянной мощности ПТИ | |||
| Iсв, А | Uд, В | ηU | υсв, м/ч |
| 330 | 28 | 0,75 | 9 |
Электрод выбирают в зависимости от назначения конструкций и стали, а режим сварки — в зависимости от толщины металла, типа сварного соединения и от пространственного положения сварки.
Рекомендуемые для электрода данной марки значения сварочного тока, его род и полярность выбирают согласно паспорту электрода, в котором приводят его сварочно-технологические свойства, типичный химический состав шва и механические свойства. При сварке рассматриваемых сталей обеспечиваются высокие механические свойства сварного соединения и поэтому в большинстве случаев не требуются
специальные меры, направленные на предотвращение образования в нем закалочных структур.
2. Исследование процессов взаимодействия между металлом, газом и шлаком
2.1 Характеристика защиты металла от взаимодействия с окружающей атмосферой
Сварка плавлением - высокотемпературный процесс, сопровождающийся изменением состава металла сварного соединения, а следовательно, и его свойств, в результате взаимодействия с окружающей средой (атмосферой). Высокая восстановительная активность металлов приводит к образованию оксидов, нитридов и гидридов, а так как скорость химических реакций и диффузионных процессов при температурах сварочного цикла очень высокая, то даже в очень ограниченное время могут, произойти существенные и нежелательные изменения состава металла шва. Широкое применение сварки в различных отраслях промышленности, строительства и транспорта стало возможным только тогда, когда были разработаны надежные методы защиты зоны сварки от атмосферы.
Рассматривая различные виды сварки, можно выделить четыре способа защиты зоны сварки:
1) шлаковая защита;
2) газовая;
3) газошлаковая;
4) вакуумная.
Смешанная газошлаковая защита сварочной ванны.
Исторически этот метод появился раньше всех. Он реализуется при ручной дуговой сварке толстопокрытыми или качественными электродами, промышленное применение которых началось в середине 20-х годов. Свойства металла шва, наплавленного электродом без покрытия, очень низки. Состав покрытия электродов определяется рядом функций, которые он должен выполнять: защита зоны сварки от кислорода и азота воздуха, раскисление металла сварочной ванны, легирование ее нужными компонентами, стабилизация дугового разряда. Производство электродов сводится к нанесению на стальной стержень электродного покрытия определенного состава. Электродные покрытия состоят из целого ряда компонентов, которые условно можно разделить на ионизирующие, шлакообразующие, газообразующие, раскислители, легирующие и вяжущие.
Ионизирующие компоненты – соединения, содержащие ионы щелочных металлов: Na2CO3, K2CO3. пары этих соединений снижают сопротивление дугового промежутка и делают дуговой разряд устойчивым.
Шлакообразующие – минералы: полевой шпат K2O3.Al2O3.6SiO2; мрамор, мел CaCO3, магнезит MgCO3, глинозем Al2O3, флюорит CaF2, рутил TiO2, кварцевый песок SiO2 и иногда гематит Fe2O3. При сплавлении эти компоненты образуют шлаки различного состава.
Газообразующие – вещества, разлагающиеся с выделением большого объема газа – мрамор, мел или органические вещества: декстрин, крахмал, целлюлоза, которые, сгорая в электрической дуге, дают много газообразных продуктов – CO2; CO; H2, H2O.
Раскислители и легирующие компоненты – металлические порошки или порошки ферросплавов – ферромарганец, ферросилиций, феррохром, ферровольфрам и др. Ферросплавы – это лигатуры, быстро растворяющиеся в жидкой стали. Только никель вводят в виде порошка металла, так как он при сварке почти не окисляется. Раскислителями кроме ферромарганца и ферросилиция могут быть ферротитан и алюминий.
Вяжущими компонентами могут быть или жидкое стекло, или полимеры. Они соединяют порошки вышеупомянутых компонентов в замес, который и напрессовывается на подготовленный металлический стержень в особых прессах. Можно также готовить электроды окунанием в жидкий замес, однородность которого поддерживается перемешиванием или обработкой ультразвуком.
Все материалы, идущие на изготовление покрытий, должны строго контролироваться по содержанию таких вредных примесей, как сера и фосфор.
В зависимости от вида компонентов, которыми осуществляется защита зоны сварки от атмосферы, все электродные покрытия можно разбить на следующие четыре группы (ГОСТ 75):
а) кислые покрытия (А), в состав которых входят оксиды железа, марганца, титана и кремния, представляющие собой шлаковую основу покрытия. Газовая защита создается органическими составляющими (крахмал). При сварке создаётся значительное количество газов (СО2; СО; H2; H2O) в результате разложения и окисления органических компонентов и обеспечивается хорошую защиту от атмосферного воздуха Раскислителем служит ферромарганец.
б) основные покрытия (Б) построены на основе карбоната кальция (мрамор) и плавикового шпата (флюорита), который служит шлакообразующим компонентом. Содержание в покрытии нескольких раскислителей позволяет получить хорошо восстановленный металл, содержащий мало серы и не склонный к образованию горячих трещин. Газовая защита создаётся диссоциацией мрамора (СаСОз). Атмосфера сварочной дуги состоит из СО, СО2, Н2 и Н2О. Пары воды выделяются из покрытия и во избежание появления водорода в зоне сварки эти электроды надо перед сваркой прокаливать при температуре 470...520 К. В качестве раскислителей используют ферротитан, ферромарганец и ферросилиций. К этой же группе относятся безокислительные покрытия, содержащие мало СаСО3 и много CaF2 (до 80%), предназначенные для сварки высокопрочных сталей.
Уменьшение доли мрамора в составе покрытия снижает окисление металла и уменьшает в нем содержание углерода.
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.
в) рутиловые покрытия (Р) построены на основе рутила TiO2 с добавками полевого шпата, магнезита и других шлакообразующих компонентов которые, разлагаясь, дают большой объем СО2, к тому же, защитная атмосфера пополняется органическими компонентами. В качестве газообразующих веществ используются органические материалы (целлюлоза, декстрин) и карбонаты (MgCO3, СаСОз). Раскислителем служит ферромарганец. Для повышения коэффициента наплавки в эти электроды вводят порошок железа.
Электроды этой группы обладают высокими технологическими свойствами - обеспечивают высокую устойчивость горения дуги, хорошее формирование шва и отделяемость шлаковой корки, возможность сварки в любом пространственном положении шва. Кроме того, рутиловые электроды малотоксичны и обеспечивают высокие механические свойства у наплавленного металла.
г) целлюлозные покрытия (Ц) построены на органических веществах (целлюлоза, пищевая мука), при разложении и окислении которых 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. Для раскисления сварочной ванны добавляют ферромарганец и ферросилиций. Надежная газовая защита позволяет снижать относительную массу покрытия: Кп ≈ 20%. Технологические свойства электродов довольно высокие и их применяют при сварке в различных пространственных положений.
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.
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.