Reakcije plinova s rastaljenim metalima

Rastaljeni metal (kapi metala, kupka) otapa u sebi veće količine O, H, N, pa dolazi do međusobnih reakcija plin - metal, koje bitno utječu na svojstva i kvalitetu zavarenog spoja.

Metali već pri sobnim temperaturama sadrže male količine plinova (residualni O,H,N). Dodatno, kao izvori plinova pri zavarivanju mogu se navesti nečistoće osnovnog i dodatnog materijala kao što su: ugljikovodici, oksidi, hidroksidi i drugi organski i anorganski materijali, koji se pri visokim temperaturama raspadaju i oslobađaju plinove. Također, iz atmosfere, koja okružuje rastaljene kapi i kupku metala utječu prisutni plinovi (O, H, N, CO2, H2O).

Kod napr. MAG prijelaza materijala u finim kapima u električnom luku, reakcije mogu biti vrlo intenzivne unatoč vrlo kratkog vremena prijelaza kapi. Sitne kapi metala u luku zagrijanog visoko iznad tališta (1800-2400 oC) pružaju relativno veliku površinu za reakciju.

Zbog disocijacije i ionizacije molekula plinova, atmosfera u električnom luku je vrlo aktivna. Čak i dušik, koji se smatra neutralnim, pri visokim temperaturama u električnom luku postaje vrlo aktivan.

U električnom luku temperatura plinova doseže lokalno 5000-15000 oC, pa se molekularni plinovi disociraju u atome, a djelimično i u ione. Takovo stanje plinova zovemo plazmom. To je četvrto agregatno stanje materije. U svemiru se većina materije nalazi u stanju plazme: Sunce, zvijezde, a samo neznatan dio materije "u tragovima" se nalazi u krutom i tekućem stanju (Zemlja, Mjesec i planete). Vodik se potpuno disocira na atome pri 5 000 oC, a dušik pri 10 000 oC.

Neki procesi, kao TIG i MIG/MAG s kratkim lukom daju manju mogućnost reakcije plin metal, jer metal prelazi u grubim kapima, koje imaju manju površinu izloženu okolnoj atmosferi i kapi ne "lete" slobodno kroz plazmu luka, gdje bi se zagrijale na visoke temperature. Temperatura ovih relativno velikih kapi je samo oko 100 oC iznad tališta.

Kod zavarivanja pod zaštitnim praškom dolazi do stvaranja zaštitnog sloja troske između rastaljenog metala i atmosfere, pa su moguće reakcije s plinovima minimalne.

Najčešće korišteni načini zavarivanja REL i MAG zahtjevaju posebno dobro poznavanje reakcija plin - metal.

U razvoju zavarivanja je uočeno da se bolja kvaliteta zavara postiže dodavanjem u oblogu materijala za stvaranje zaštitne atmosfere luka, kojom isključujemo utjecaj zraka: O2, N2, H2O, koji su jako aktivni u atmosferi - plazma luka, a time i štetni.

Dezoksidacija

Kisik je uvijek, u većoj ili manjoj količini, prisutan u rastaljenom metalu. Mora se spriječiti njegova reakcija sa ugljikom iz Fe3C, jer može uzrokovati poroznost i razugljičenje: C + O ® CO (plinski mjehuri}i, poroznost). Dodajući u oblogu elektrode ili u žicu za zavarivanje elemente, koji imaju veliki afinitet prema kisiku: Al, Si, Mn, Ti i Zr dolazi do reakcija:

Si + 20 = SiO2

2Al + 30 = AL2O3

Mn + O = Mn O

Produkti dezoksidacije su troska ili nemetalni mikrouključci u strukturi ZT.

Ti, Al i Zr su jaki dezoksidanti, oko 5 puta jači od Mn ili Si.

Ako ovi produkti ostanu u metalu, a ne isplivaju u obliku troske, tada se oni u strukturi skrutnutog metala nalaze u obliku fino raspršenih nemetalnih mikro uključaka, koji bitno ne utječu na svojstvo zavara, pa su daleko manje štetni od poroznosti.

Treba napomenuti da previsok sadržaj dezoksidanata Al i Si u čeliku smanjuje njegovu žilavost i istezljivost, posebno pri niskim temperaturama. Dezoksidanata treba dodati obzirom na prisutan kisik tek nešto malo više, nego je teorijski potrebno. Smatra se da Si treba biti više od 0.35 % da se ne pojavi porozonst u čeliku zbog mjehurića plina pri skrućavanju napr. ingota.

Veći sadržaj dezoksidanata u dodatnom materijalu bit će potreban, ako:

· osnovni materijal sadrži više kisika, napr. neumiren čelik ima više kisika od umirenog,

· ako je jakost struje zavarivanja i/ili toplinski input veći,

· ako je veličina zone taljenja veća,

· ako je količina cundera i rđe veća npr. kod toplo valjanih limova ili toplo oblikovanih dijelova (napr. danca),

· ako je zaštitni plin jače oksidirajući; 100% CO2 plin je jače oksidirajući od Ar + 2% O2 ili čisti Ar.

Izvori kisika su: atmosfera u luku (O2, CO2, H2O), okujina (FeO,Fe2O3,Fe3O4) na metalu, rđa (OH skupina) i residualni kisik iz OM i DM.

Poroznost

Kao što je već objašnjeno u prethodnom tekstu o dezoksidaciji poroznost nastaje zbog reakcija plin - metal i zbog otapanja velike količine raznih plinova u talini, koji pri skrućivanju moraju napustiti talinu zbog velikog pada rastvorljivosti - topivosti plinova u talini. Plinovi se izdvajaju iz taline u obliku mjehurića, koji mogu ostati zarobljeni u metalu čineći poroznost - plinske uključke, ako je došlo do brzog skrućivanja, pa mjehurić nije imao vremena isplivati na površinu.

Uočiti treba da je rastvorljivost vodika veoma različita pri raznim temperaturama:

10-3 cm3 H2/100 g Fe

kod 20 oC

6 cm3 - " -

kod 1536o C u krutom stanju

27,5 cm3 - " -

kod 1536 oC u rastaljenom stanju

33.0 cm3 - " -

1800 oC (temperatura kupke)

42.5 cm3 - " -

2500 oC

Velike količine vodika, se mogu apsorbirati u talini, a kasnije izlaze u obliku mjehurića ili ostaju u krutnini kao difuzijski vodik i u rešeci tvori visoki tlak, koji uzrokuje hladne pukotine.

Da bi bilo što manje prisutnog vodika u zavarenom spoju potrebno je elektrode sušiti ili peći neposredno prije upotrebe. Tako odstranjujemo higroskopnu i vezanu vlagu. Temperatura pečenja se preporučuje oko 400-450 oC za bazične elektrode u trajanju od 1h. Za ostale vrste elektroda se preporučuje temperatura pečenja 250-350oC, a kasnije držanje na temperaturama 100-150oC u pećima - skladištima.

Kod zavarivanja u zaštitnim plinovima (TIG, MIG/MAG) poroznost može biti uzrokovana nedovoljnom zaštitom inertnog plina zbog:

· premale količine,

· propuha ili vjetra - predaleko se nalazi sapnica,

· turbulencija,

· injektorsko djelovanje struje zaštitnog plina, koji uvlači druge plinove,

· nedovoljna sekundarna zaštita (korijena)

U zaključku se mogu navesti najčešći uzroci pojave poroznosti u obliku tablice:

U rastaljenom metalu prisutni Najčešći plinski mjehurići U z r o k

H + H

H2

pad rastvornosti

N + N

N2

pad rastvornosti

C + O

CO

reakcija plin - metal

Utjecaj Mn i Si na oblikovanje zone taljenja

Veći sadržaj Mn i Si povećava fluidnost kupke zavara te se postiže povoljniji oblik zavara za pozicionirano zavarivanje i manja osjetljivost rđavih i oksidiranih površina rubova, koje se zavaruje. Za zavarivanje u prisilnim položajima povoljnije je koristiti manje fluidnu (tekuću) kupku odnosno više viskoznu.

Sadržaj dezoksidanata utječe na oblik i svojstva zavara

a) Manji sadržaj Si i Mn

b) Veći sadržaj Si i Mn

· Veliko nadvišenje i konveksan oblik zavara

· Malo nadvišenje zavara

· Slabo vlaženje rubova

· Dobro vlaženje rubova i glatka površina lica zavara

· Oštar prijelaz ZT - ZUT

· Blagi prijelaz ZT - ZUT

· Veća količina kapljica uz zavar zbog prskanja

· Malo prskanje kapljica u okolinu

tii64.jpg (41341 bytes)

 Dijagram rastvorljivosti H i N u čistom željezu pri normalnom atmosferskom tlaku.

Povratak na početnu stranicu - povratak na popis pitanja iz Tehnologije zavarivanja !!