Дефекты первичной кристаллизации металла шва. Шлаковые включения в металле шва

Дефекты первичной кристаллизации металла шва. 

Шлаковые включения в металле шва

Шлаковые (неметаллические) включения относятся к дефектам шва, снижающим механические свойства металла. Для анализа механизма образования неметаллических включений рассмотрим процесс контактирования металла и шлака.

При поступлении в сварочную ванну капель электродного металла газодинамическим напором дуги жидкий металл перемещается в сторону противоположную направлению сварки, т.е. он натекает на кристаллизующийся металл шва.

Вследствие тормозящего действия растущих кристаллов и большого удельного веса металла скорость его натекания замедляется. В нижний части сварочной ванны слои металла и шлака тонкие, разделение шлака и металла происходит очень быстро. Шлак, имея более низкую температуру затвердевания и малый удельный вес (2,3 ¸ 3,8 г/см3), легче поддается действию газового потока и очень быстро перемещается по поверхности металла относительно тонким, но постепенно утолщающимся слоем.

Происходит промывка металла шлаком. При этом в контакте со шлаком в то или иное время бывают все точки шва. Кроме того, разделению шлака и металла способствует выталкивающее действие растущих кристаллов. Таким образом, затвердевание сварочного шлака не должно быть основной причиной появления крупных шлаковых включений.

Причинами крупных шлаковых включений являются:

– наличие серной строчки в основном металле;

– узкая разделка свариваемых деталей;

– неправильные манипуляции электродом при РДС (возвратные движения в области частично закристализовавшегося металла сварочной ванны могут привести к нарушению фронта растущих кристаллов, создают новые полости жидкости, удаление из которых попавших туда шлаковых частиц затруднено);

– неравномерное плавление электродного покрытия;

– плохая зачистка корня шва при сварке на флюсовой подушке.

Кроме того, крупные шлаковые включения в металле шва могут быть при сварке под флюсом мощной трехфазовой дугой. В этом случае сильный газодинамический напор может очень глубоко загнать какое-то количества шлака на дно сварочной ванны, откуда этот шлак не успевает всплыть на поверхность металла.

Крупные шлаковые включения мало снижают статическую прочность металла, но создают концентрацию напряжений и могут вызвать разрушение при знакопеременных и динамических нагрузках.

Шлаковые включения, вносимые в шов извне, встречаются довольно редко.

Значительно чаще появляются шлаковые включения в результате реакций в сварочной ванне, т.е. основные шлаковые включения имеют эндогенный характер. Эти мелкодисперсные включения, нерастворимые в металле, скапливаются в маточном растворе. Они взаимодействуют между собой и остаются в виде шлаковых легкоплавких прослоек между дендритами.

Это ухудшает металлическую связь между кристаллитами, ведет к снижению механических свойств металла, к его хладноломкости и красноломкости.

К числу простых соединений, загрязняющих швы, относятся оксиды, нитриды, сульфиды, фосфиды. Кроме того, могут быть комплексные соединения – силикаты, титанаты и т.д. Удаление продуктов реакций зависит от их свойств – удельного веса и температуры плавления. Легкоплавкие частицы коагулируют и успевают всплывать. Очень мелкие частицы (SiO2, Al2O3) не коагулируют и распределяются в металле равномерно.

Удалению продуктов реакций способствует интенсивная промывка металла шлаком. Кислые продукты раскисления (SiO2, силикаты) лучше удаляются основными шлаками, продукты типа FeO и MnO – кислыми. Образование неметаллических включений (оксидов, нитридов) идет и в твердом металле. Такие включения уже удалить невозможно. Твердый металл до 90 % кислорода и азота содержит в виде химических соединений.

Причинами мелких шлаковых включений являются:

– повышенное насыщение жидкого металла сварочной ванны кислородом и азотом;

– высокая химическая активность шлаковой фазы;

– плохое удаление продуктов раскисления;

– сульфидные и фосфидные включения в шлаковой фазе.

О степени защиты зоны плавления от воздуха и качестве удаления продуктов реакции при различных способах сварки можно судить по содержанию табл. 20.

 

Таблица 20. Содержание газов в металле шва при дуговой сварке, см3/100 г

п/п

Способ сварки

Общее

количество

газов

в том числе

кислорода

азота

водорода

диффуз.

остат.

СОДГП

155

50

90

2,5

1,25

Под флюсом АН-348А

132,5

112

14,5

2,5

3,5

Электродами с кислым покрытием

107,5

72,5

21

9

5

Электродами с рутиловым покрытием

70¸110

42¸84

24¸32

28¸44

12¸16

Электродами с целлюлозным покрытием

70¸110

28¸70

16¸24

25¸50

14¸25

Электродами с основным покрытием

50¸70

13¸18

32¸40

2¸4

3¸5

В СО2 пров Св-08Г2С Æ 1,0 мм на min режимах

60

40

16

1,5

2,5

В СО2 пров Св-08Г2С Æ 1,6 мм на мах режимах

95

65,5

20

3

5,6

ПП-АН-3 самозащитной

95

63

24,5

3

5,6

ПП-АН-4 в СО2

51

35

9,5

2,5

4

Исходная концентрация газов в сталях, см3/100 г;

Кислород

Азот

Водород

£ 56

£ 13

3 ¸ 8

 

В ЦНИИТМАШе предложено оценивать способность продуктов окисления к коагуляции и выделению из металла по составу металла шва. Считают, что наилучшее удаление продуктов раскисления наблюдается при соотношении в металле шва [Mn]/[Si] = 2,4 ¸ 3,1

В этом случае обеспечиваются наилучшие пластические свойства металла шва. Данное положение подтверждается работами, проведенными на кафедре сварки РИСХМ (ДГТУ) [19] (см. табл. 21).

 

Таблица 21. Влияние содержания Si и Mn в металле шва на его ударную вязкость при сварке в СО2

п/п

[Mn],

%

[Si],

%

[Mn + Si],

%

KCU,

Дж/см2

1

0,59

0,26

0,85

2,25

105

2

1,03

0,43

1,46

2,40

121

3

0,55

0,18

0,73

3,06

161

4

0,53

0,16

0,69

3,21

131

5

0,43

0,19

0,62

2,26

100

6

0,53

0,33

0,86

1,61

118