Основные реакции в зоне сварки

Под воздействием теплоты электрической дуги происходит расплав­ление кромок свариваемого изделия, электродного (или присадочного) ме­талла и покрытия или флюса. При этом образуется сварочная ванна расплавленного металла, окруженная от­носительно холодным металлом (иног­да значительной толщины) и покры­тая слоем расплавленного шлака. При сварке происходит взаимодейст­вие расплавленного металла со шла­ком, а также с выделяющимися га­зами и воздухом. Это взаимодейст­вие начинается с момента образова­ния капель металла электрода и про­должается до полного охлаждения наплавленного металла шва.

Основные особенности металлурги­ческих процессов, протекающих при сварке, определяются следующими ус­ловиями: высокой температурой про­цесса, небольшим объемом ванны рас­плавленного металла, большими ско­ростями нагрева и охлаждения, отво­дом теплоты в окружающий ванну ос­новной металл и, наконец, интенсив­ным взаимодействием расплавляемого металла с газами и шлаками в зоне дуги.

Высокая температура сварочной дуги значительно ускоряет физико-хи­мические процессы, происходящие при плавлении металла. Она вызывает также в объеме дуги диссоциацию (распад) молекул кислорода, азота и паров воды. В атомарном состоянии газы, обладая большой химической активностью, интенсивно взаимодейст­вуют с расплавленным металлом шва. Высокая температура способствует выгоранию примесей и тем самым из­меняет химический состав свариваемо­го металла.

Небольшой объем ванны расплав­ленного металла (при ручной свар­ке — 0,5…1,5 см³, при автомати­ческой сварке 24 … 300 см³) и ин­тенсивный отвод теплоты в окружаю­щий ванну металл не дают возмож­ности полностью завершиться всем реакциям взаимодействия между жид­ким металлом, газами и расплавлен­ным шлаком. Большие скорости наг­рева и охлаждения значительно уско­ряют процесс кристаллизации, приводят к образованию закалочных струк­тур, трещин и других дефектов. Под воздействием теплоты происходят структурные изменения в металле околошовной зоны, которые приводят к ослаблению сварного шва.

Рассмотрим взаимодействие рас­плавленного металла с газовой сре­дой и расплавленным шлаком. Га­зовая среда состоит главным образом из кислорода, азота и водорода.

Кислород поступает в зону сварки из воздуха и из электродного покры­тия. Взаимодействуя с расплавленным металлом, кислород в первую очередь окисляет железо. Находясь в зоне дуги как в молекулярном, так и в атомарном состоянии, кислород обра­зует с железом три оксида FeO (II), Fe₂О₃ (III) и Fe₃O₄. Взаимо­действие протекает по следующим реакциям:

2Fe + O₂↔2FeO; Fe + O↔FeO;

4Fe + 3O₂↔2Fe₂O₃;

3Fe+2O₂↔Fe₃O₄;

В процессе окисления железа уча­ствуют также находящиеся в зоне дуги диоксид углерода (СО₂) и пары воды:

Fe + СО₂ ↔ FeO + СО; Fe + Н₂O ↔ FeO + Н₂.

Из соединений железа с кисло­родом наибольшее влияние на свойст­ва стали оказывает оксид FeO (II), так как только он растворяется в железе. Растворимость его зависит главным образом от содержания угле­рода в стали и температуры: с увели­чением содержания углерода в стали растворимость снижается; с ростом температуры растворимость повы­шается. Поэтому при охлаждении ста­ли происходит выпадение из раствора оксидов FeO (II). При высоких скоростях охлаждения часть окси­дов FeO (II) остается в растворе, образуя шлаковые прослойки между зернами металла.

Окисление примесей, содержащих­ся в стали, происходит либо непосредственно в дуге, либо при взаимодействии с оксидом FeO (II), растворенным в сварочной ванне. Значительное срод­ство углерода, марганца и кремния к кислороду приводит к сильному уменьшению содержания этих примесей в расплавленном металле шва. Таким образом, кислород находится в стали главным образом в виде окси­дов железа, марганца и кремния.

В кипящей низкоуглеродистой ста­ли СтЗ кислорода содержится 0,001 … 0,002%, а в спокойной ста­ли — 0,03 … 0,08%. В металле шва при сварке незащищенной дугой содержа­ние кислорода достигает 0,3%, а при сварке защищенной дугой — 0,05%.

Азот в зону сварки проникает из окружающего воздуха. В зоне дуги азот находится как в молекулярном, так и в атомарном состояниях. Ато­марный азот более активно раство­ряется в расплавленном металле сварочной ванны, чем молекулярный. Растворимость его зависит от темпе­ратуры. При охлаждении свариваемо­го шва азот, выделяясь из раствора, взаимодействует с металлом шва и образует химические соединения: нит­риды железа (Fe₂N, Fe₄N), марган­ца (MnN) и кремния (SiN). При больших скоростях охлаждения азот не успевает полностью выделиться и составляет с металлом пересыщенный твердый раствор. Такой азот со вре­менем является причиной старения металла и снижения его механических свойств.

В низкоуглеродистой стали азота содержится до 0,006%, в металле шва при сварке незащищенной дугой содержание азота достигает 0,2%, а при сварке защищенной дугой — 0,03%. Азот является вредной примесью ста­ли, так как, повышая прочность и твердость, он вместе с этим значитель­но снижает пластичность и вязкость металла.

Водород в зоне сварки образу­ется во время диссоциации водяных паров при высоких температурах дуги. Пары воды попадают в зону дуги из влаги электродного покрытия или флюса, ржавчины и окружающего воздуха. Молекулярный водород рас­падается на атомарный, который хо­рошо растворяется в расплавленном металле. Растворимость водорода в железе в значительной степени зави­сит от температуры металла. При температуре 2400° С насыщение дос­тигает максимального значения (43 см³ водорода на 100 г металла). При высоких скоростях охлаждения метал­ла водород переходит из атомарного состояния в молекулярное, но пол­ностью выделиться из металла не успевает. Это вызывает пористость и мелкие трещины, пластичность метал­ла снижается.

Таким образом, физико-химичес­кие процессы, происходящие в зоне дуги, в значительной степени определяют качество металла шва, а отсюда и качество сварного соединения.

Для получения сварного шва высо­кого качества необходимо принять ме­ры по защите расплавленного метал­ла сварочной ванны от воздейст­вия кислорода, азота и водорода. Сварочную ванну защищают, создавая газовую оболочку вокруг дуги и шлаковый слой над ванной расплав­ленного металла. Однако эти меры полностью не предохраняют от насы­щения металла кислородом и образо­вания оксидов. Поэтому необходимо проводить раскисление металла и уда­ление образовавшихся оксидов из сварочной ванны.

Жидкий металл сварочной ванны раскисляют, вводя в него элементы, имеющие большое сродство к кислороду: алюминий, титан, кремний, угле­род, марганец. Эти элементы вводят в сварочную ванну либо в виде элек­тродной проволоки (или присадочного металла), либо электродного покры­тия, либо флюса.

Алюминий как раскислитель при­меняется редко, так как он обра­зует тугоплавкие оксиды, придающие стали склонность к образованию тре­щин. Раскисление алюминием протекает по реакции:

3FeO + 2Al = 3Fe + AI₂О₃.

Титан является активным раскислителем и поэтому широко применяет­ся в различных электродных покрытиях. Раскисление протекает по реакции:

2Fe0 + Ti = 2Fe+Ti0₂.

Кроме того, титан образует нитриды, снижая содержание азота в металле.

Кремний — очень хороший раскислитель и входит в электродные пок­рытия и флюсы в виде ферросилиция и кварцевого песка. Раскисление крем­нием происходит по реакции:

2FeO + Si = 2Fe + Si0₂.

Кроме того, про­текает реакция образования силика­тов SiO₂ + FeO = FeO • SiО₂. Полу­ченные оксид SiO₂ и силикат ок­сида железа (II) не растворяются в железе и выходят в шлак.

Углерод образует с кислородом газообразный оксид углерода (СО), который в стали не растворяется, а выделяется в виде пузырьков. При больших скоростях охлаждения оксид углерода не успевает выделиться из металла шва, образуя в нем газовые поры. Раскисление протекает по реак­ции:

FeO + С = Fe + СО.

Для пре­дупреждения пористости рекомендует­ся вводить в сварочную ванну крем­ний в таком количестве, чтобы пода­вить раскисляющее действие углерода.

Марганец является наиболее рас­пространенным активным раскислителем. Он входит во многие электродные покрытия и флюсы. Раскисление проходит по реакции:

FeO₄+ Мn = Fe + МnО.

Оксид марганца взаи­модействует с оксидом кремния и об­разует нерастворяющийся в стали си­ликат оксида марганца по реакции

МnО + SiO₂ = МnО • SiO₂.

Кроме того, марганец способствует удалению серы из стали по реакции^

FeS + Мn =МnS + Fe.

Сернистый мар­ганец также не растворяется в стали и выходит в шлак. Марганец вхо­дит в электродные покрытия и флю­сы в виде ферромарганца и мар­ганцевой руды.

Для восстановления первичного химического состава металла, а в не­которых случаях для улучшения механических свойств металла шва произ­водят легирование наплавляемого ме­талла. Цель легирования — воспол­нить выгорание основных примесей стали и ввести в металл шва элементы, придающие стали специальные качест­ва. Легирующие элементы: кремний, марганец, хром, молибден, вольфрам, титан и др. — входят в состав элек­тродных металлов, электродных пок­рытий, флюсов в чистом виде или в виде химических соединений. В элек­тродное покрытие или во флюс они входят, как правило, в виде фер­росплавов (ферросилиций, ферромар­ганец, феррохром, ферротитан, ферро­ванадий, ферромолибден и др.).