Основные реакции в зоне сварки

Основные реакции в зоне сварки
Под воздействием теплоты электрической дуги происходит расплавление кромок свариваемого
изделия, электродного (или присадочного) металла, покрытия или флюса. При этом образуется
сварочная ванна расплавленного металла, окружённая 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
высокой температурой процесса; небольшим объёмом ванны расплавляемого металла; большими
скоростями нагрева и охлаждения металла; отводом теплоты в окружающий ванну основной
металл; 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 диссоциацию (распад) молекул
кислорода и азота в атомарное состояние. Обладая большой химической активностью, эти газы
интенсивнее взаимодействуют с расплавленным металлом шва. В зоне дуги происходит распад
молекул паров воды с диссоциацией молекул водорода, атомарный водород активно насыщает
металл шва. Высокая температура способствует выгоранию примесей и тем самым изменяет
химический состав свариваемого металла. Небольшой объём ванны расплавленного металла (при
ручной сварке — 0,5... 1,5 см3, при автоматической сварке — 24...300 см3) и интенсивный отвод
теплоты в металл, окружающий ванну, не даёт 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 действием теплоты происходят
структурные изменения в металле околошовной зоны, которые также приводят к ослаблению
сварного шва.
На расплавленный металл существенное воздействие оказывают газовая среда и расплавленный
шлак. 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, так как его концентрация
в стали наибольшая. Находясь в зоне дуги как в молекулярном, так и в атомарном состоянии,
кислород образует с железом три оксида: FeO, Fe2О3 и Fe3О4.
Из соединений железа с кислородом наибольшее влияние на свойства стали оказывает оксид
железа FeO, так как только он растворяется в железе. Растворимость оксида железа в стали
зависит главным образом от содержания углерода и температуры металла. С увеличением
содержания углерода в стали растворимость оксида железа снижается. При высокой температуре
стали растворимость оксида железа выше, чем при низкой температуре. Поэтому при охлаждении
стали происходит выпадение из раствора оксида железа FeO. При высоких скоростях охлаждения
часть оксида железа остается в растворе, образуя шлаковые прослойки между зернами металла.
Окисление примесей, содержащихся в стали, происходит либо непосредственно в дуге, либо при
взаимодействии с оксидом железа, растворенного в сварочной ванне металла. Значительное
сродство углерода, марганца и кремния с кислородом приводит к сильному уменьшению
содержания этих примесей в расплавленном металле шва. Таким образом, кислород находится в
стали преимущественно в виде оксидных включений железа, марганца и кремния.
В кипящей низкоуглеродистой стали Ст3 кислорода 0,001... 0,002 %; в спокойной стали —
0,03...0,08 %. В металле шва при сварке незащищённой дугой содержание кислорода достигает 0,3
%; при сварке защищенной дугой до 0,05 %.
Азот в зону сварки проникает из окружающего воздуха.
В зоне дуги азот находится как в молекулярном, так и в атомарном состоянии. Диссоциированный
азот более активно растворяется в расплавленном металле сварочной ванны, чем молекулярный.
Растворимость азота зависит от температуры металла шва. При охлаждении металла 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
твёрдый раствор. Со временем такой азот является причиной процесса старения металла,
значительно снижающего механические свойства стали.
В низкоуглеродистой стали азота содержится до 0,006 %; в металле шва при сварке
незащищённой дугой содержание азота достигает 0,2 %; при сварке защищённой дугой — до 0,03
%,
Азот является вредной примесью стали, так как, повышая прочность и твёрдость, он вместе с этим
значительно снижает пластичность и вязкость металла. Устраняют влияние азота на качество
сварного шва хорошей защитой зоны дуги от атмосферного воздуха. Кроме того, применяют
сварочные материалы, содержащие алюминий, титан и другие элементы, которые образуют
нитриды, выходящие в шлак или менее снижающие качество шва.
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. Снижение
влияния водорода на качество сварного шва достигается сушкой и прокалкой материалов сварки,
очисткой от ржавчины и хорошей защитой зоны дуги.
Для получения сварного шва высокого качества необходимо принять меры по защите
расплавленного металла сварочной ванны главным образом от воздействия кислорода, азота и
водорода. Защита сварочной ванны осуществляется созданием вокруг дуги газовой оболочки и
шлакового слоя над ванной расплавленного металла. Однако эти меры полностью не
предохраняют от насыщения металла кислородом и образования оксидов. Поэтому необходимо
производить как раскисление металла, так и удаление образовавшихся оксидов из сварочной
ванны.
Раскисление жидкого металла сварочной ванны производят, вводя в него элементы, имеющие
большое сродство к кислороду: алюминий, титан, кремний, углерод, марганец. Эти элементы
вводят в сварочную ванну либо через электродную проволоку ими присадочный металл), либо
через электродное покрытие (или флюсы).
Алюминий как раскислитель применяется редко, так как он образует тугоплавкие оксиды и придаёт
стали склонность к образованию трещин. Раскисление алюминием протекает по реакции
3FeO + 2AI = 3Fe + АI2О3
Титан является активным раскислителем и поэтому широко применяется в различных
электродных покрытиях. Раскисление протекает по реакции
2FeO + Ti = 2Fe + TiО2
Кроме того, титан образует нитриды, снижая содержание азота в металле.
Кремний — очень хороший раскислитель и применяется в электродных покрытиях и флюсах в
виде ферросилиция или кварцевого песка. Раскисление кремнием происходит по реакции
2FeO + Si = 2Fe + SiО2
Кроме того, протекает реакция образования силикатов
SiО2 + FeO = FeO-SiО2
Полученные оксиды SiО2 и силикат оксида железа не растворяются в железе и выходят в шлак.
Углерод образует с кислородом газообразный оксид углерода, 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 металла шва рекомендуется вводить в сварочную ванну кремний
в таком количестве, чтобы подавить раскисляющее действие углерода.
Марганец является наиболее распространённым активным раскислителем. Он входит во многие
электродные покрытия и флюсы. Раскисление происходит по реакции
FeO + Mn = Fe + МnО
Оксид марганца, взаимодействуя с оксидом кремния, образует не растворяющийся в стали
силикат оксида марганца:
МnО + SiО2 = MnO х SiО2
Кроме того, марганец способствует удалению серы из стали по реакции
FeS + Mn = Fe + MnS
Сернистый марганец также не растворяется в стали и выходит в шлак. Марганец вводится 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.) используют через электродное покрытие, в виде
ферросплавов (ферросилиций, ферромарганец, феррохром, ферротитан, феррованадий,
ферромолибден и др.), а также в виде электродного металла.