5.1. ФОРМИРОВАНИЕ МЕТАЛЛА ШВА И ХАРАКТЕРИСТИКИ ОСНОВНЫХ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ СВАРКЕ ПЛАВЛЕНИЕМ

Химический состав металла шва часто отличается от состава ос­новного металла. Это необходимо, чтобы обеспечить равнопрочность литого металла шва с прокатным основным металлом и получить свар­ной шов нужного качества без трещин и пор.

Любой способ сварки плавлением дает возможность получить шов, представляющий сплав наплавленного (электродного) металла и рас­плавленного основного металла. Исключением из этого правила яв­ляется шов, выполненный неплавящимся электродом без присадки - здесь в шве присутствует лишь расплавленный основной металл.

Содержание любого химического элемента в сварном однопроход­ном шве можно определить, пользуясь правилом смешения, по формуле

где Хш, Хо, Хн - концентрации данного элемента соответственно в шве, основном и наплавленном металле; уо и уи - доли участия в металле шва основного и наплавленного металла; АХ - поправка на изменение кон­центрации элемента, вызванная химическими реакциями между дан­ным элементом и окружающими газами и шлаками.

Величины уо и ун определяются экспериментальным путем изме­рения площадей на поперечном макрошлифе (рис. 5.1) и вычисляют­ся с помощью формул

Отсюда ясны способы регулирования химического состава металла шва, которые осуществляются путем подбора состава наплавляемого ме­талла (выбор электродов, проволоки и флюса, проволоки и защитно­го газа), а также изменения долей уо и ун путем выбора соответствую­щей разделки кромок и параметров режима сварки. Еще на заре развития сварки плавлением было обнаружено, что при сварке без защиты (голой электродной проволокой) качество металла шва рез­ко ухудшается; виной тому является кислород и азот, которые актив­но растворяются в жидком металле сварочной ванны (табл. 5.1)

Объект измерения	Химический состав, %
С	Si	Мп	0	N
Сварочная проволока	0,08	0,03	0,4	0,02	0,007
Наплавленный металл	0,04	0,02	0,15	0,28	0,15

Таблица 5.1

Химический состав проволоки и наплавленного металла (сталь)

Из данных таблицы хорошо видно выгорание таких элементов как С, Si и Мп и значительное увеличение содержания в шве N и О. По­следнее приводит к изменению свойств металла шва (рис. 5.2).

- 500

- 400

- 300

- 200 - 1(H)

При остывании металла, пересыщенного кислородом, на границах зерен выделяется закись железа FeO. Это приводит к снижению вре­менного сопротивления разрыву ов и предела текучести ол с одновре­менным уменьшением пластических характеристик металла шва. Азот при охлаждении выделяется из твердого раствора в виде игл нитридов железа Fe^N, располагающихся по объему зерна в плоскостях его сколь­жения, что приводит к охрупчиванию металла. Совместное действие кислорода и азота значительно увеличивает прочность металла шва и резко уменьшает его пластичность. Так, наплавленный голой низкоуг­леродистой проволокой металл показывает следующие свойства:

св = 340-400 МПа; 8 = 5-10%; KCV = 0,05-0,25 МДж/м2.

Поэтому уже первооткрыватели сварки обращали большое вни­мание на предотвращение отрицательного влияния кислорода и азо­та на металл шва.

Механизм ликвидации вредного воздействия этих газов заклю­чается в изоляции плавильного реакционного пространства при свар­ке плавлением (ванны жидкого металла и дуги) от воздушной атмос­феры, которая может осуществляться путем шлаковой или газовой защиты (при способах дуговой сварки и ЭШС) либо созданием ва­куума (при ЭЛС).

В современных способах сварки используется шлаковая защита (при автоматической сварке под флюсом), комбинированная газо­шлаковая защита (при ручной сварке покрытыми электродами) либо газовая защита (при сварке плавящимися и неплавящимися электро­дами в инертных газах и плавящимся электродом в среде активных газов или их смесей). С отрицательным действием кислорода можно бороться применением специальной легированной проволоки.

Электродные покрытия представляют собой смесь газообразующих и шлакообразующих компонентов, которые в процессе сварки предох­раняют металл от воздействия воздуха и производят желаемую ме­таллургическую обработку металла (для чего в покрытие могут быть введены различные металлические добавки). Вводимые в покрытие газообразующие (они служат для оттеснения воздуха) и шлакообра­зующие (они частично изолируют поверхность расплавленного ме­талла) при сварке, как правило, не нейтральны к расплавленному ме­таллу. В качестве газообразующих в покрытия вводят органические добавки (крахмал, декстрин, целлюлозу) или углекислые соли - кар­бонаты (мрамор, магнезит). Первые при разложении образуют водо­род, газы СО, С02, пары воды при наличии некоторого количества кислорода. Вторые дают СО и С02, кислород, некоторое количество паров воды (в зависимости от технологии изготовления покрытия). Шлакообразующие вещества представляют собой системы окислов различных элементов и галоидных соединений (чаще всего фтори­дов). Некоторые из них при сварке взаимодействуют с металлом, в частности, окисляя его. Флюсы - шлаки (автоматическая под флю­сом и электрошлаковая сварка) по составу, как правило, проще элек­тродных покрытий, но и они содержат окислы (а иногда и газообра­зующие добавки), а также то или другое количество влаги. Для газовой защиты сварочного пространства применяют либо активные, реагирующие с металлом при сварке, либо инертные, с ним не реаги­рующие, газы. Наиболее часто применяемый активный газ - угле­кислота (С02). В сварочных условиях он может взаимодействовать с металлом в виде С02, СО, а также углерода и кислорода; если в нем есть примеси воды, то в реакционном пространстве появляются пары воды и водород. В применяемых инертных газах часто имеются при­меси (пусть даже в небольших количествах) кислорода, азота, паров воды, которые могут приносить вред металлу шва, особенно при свар­ке химически активных металлов.

Из изложенного становится ясно, что практически при всех спо­собах сварки плавлением (кроме сварки в глубоком вакууме) не­обходимо учитывать взаимодействие металла, его примесей или легирующих добавок с окружающей газовой, шлаковой или газо­шлаковой средой. При этом основными газами являются 02, N2, Н2, С02, СО, шлаки же представляют собой системы окислов и галоидов. Известно, что протекание реакций взаимодействия как между простыми веществами, так и сложными соединениями оп­ределяется внешними факторами, в частности, такими как темпе­ратура, давление, скорость поступления вещества в реакционную зону, время взаимодействия и др. Все эти параметры присутствуют при нахождении в сварочной ванне жидкого металла в процессе кристаллизации шва.

Химический состав металла шва, от которого во многом зависят его свойства и дефекты, формируется в результате физико-хими­ческой обработки электродного металла и металла сварочной ванны. Весь комплекс этих процессов, протекающих при сварке между жид­ким металлом и шлаком (газом) и в объеме этих фаз, принято назы­вать сварочным металлургическим процессом.

Большое значение имеют температурные условия в дуге. При плавлении электрода с некоторыми интервалами времени (0,1...0,5 с) капли, образовавшиеся на его торце, отделяются от электрода и пере­носятся в сварочную ванну. Перенос может осуществляться в мо­мент короткого замыкания дугового промежутка каплей расплав­ленного металла, а при большой плотности тока капли отрываются от электрода и пересекают дуговой промежуток. В процессе перено­са (его продолжительность составляет 0,01...0,05 с) капли продол­жают нагреваться в столбе дуги до температуры 4500...8000 °С, при­чем их средняя температура может повышаться. В соответствии с различными данными калориметрического измерения температура капель в дуговом промежутке при ручной сварке стальными элект­родами составляет 2100...2150 °С, повышаясь по мере увеличения силы и плотности тока в электроде. Средняя температура свароч­ной ванны определяется -1800 °С, причем с уменьшением объема ванны (например, при ручной сварке, когда ванна меньше, а доля перегретого электродного металла больше) температура ванны дос­тигает 2000 °С. Максимальное время пребывания металла в свароч­ной ванне в жидком состоянии для различных случаев составляет от нескольких до 30...40 с.

Внешнее давление, при котором происходят реакции во время сварки, обычно равно атмосферному (исключая случаи сварки под водой на значительной глубине и сварку в вакууме). Частое приме­нение для сварки газовых смесей приводит к необходимости учета парциальных давлений (отдельных газов) в смеси.

Капельное плавление добавочного металла усиливает его взаимо­действие с окружающей средой, а наличие внутри капель и свароч­ной ванны шлаковых и газовых частиц еще более увеличивает повер­хность взаимодействия шлак-металл и газ-металл. Учитывая высокую температуру, скорости прохождения реакций в этом случае могут быть весьма велики, а транспортировка реагентов не должна совершаться на большие расстояния. Это приводит к необходимости учета кинетики процесса.

Процесс сварки характеризуется изменяющейся во времени тем­пературой и поступлением в реакционную зону порций еще не проре­агировавших веществ, поэтому термодинамического равновесия в сварочных условиях достичь нельзя. Однако термодинамические расчеты в металлургии сварочных процессов применяются с учетом следующих обстоятельств:

1) в любом участке общей реакционной зоны реакции стремятся к состоянию равновесия, что позволяет по термодинамичес­ким данным определить наиболее вероятное направление про­текания реакции в этом объеме;

2) вследствие большой скорости протекания реакций на отдельных стадиях процесса можно предполагать достижения в отдельных объемах состояний, близких к равновесным, и применительно к определенным условиям приближенно рассчитать состав метал­ла, газов и получить представление о влиянии различных пара­метров процесса на изучаемое явление.

При любом процессе сварки, в котором участвует сварочная дуга, существует парогазовая область (в ее объеме горит дуга), расплав­ленный металл и шлак (плавильное или сварочное пространство). Все металлургические процессы в плавильном пространстве происходят на двух стадиях - капли и ванны (рис. 5.3).

Рис. 5.3. Продольный разрез сиарочной ванны при сварке под флюсом: 1 — слой флюса; 2 — электродная проволока; 3 — парогазовый пузырь; 4 — жидкий шлак; 5 — сварочная ванна; в — выделяющиеся газы; 7 — закристаллизовавшийся металл шва; 8— застывший шлак

На первой стадии плавящийся металл перегрет, и наблюдаются максимальные изменения в его химическом составе, вызванные его легированием и испарением из шлака покрытия или флюса, а также растворением газов в металле.

На стадии ванны металл перегрет значительно меньше, и развитие получают процессы рафинирования (очищения) металла шва, от кото­рых зависит и его конечный химический состав, и образование в нем дефектов типа неметаллических включений, трещин и пор.

В зоне дуги существуют две основные фазы - газовая и шлако­вая. Газовая состоит из газообразных продуктов разложения ком­понентов покрытий (флюса), защитных газов и паров металлов. Степень химического воздействия газовой фазы на металл зависит

от содержания в ней кислорода, азота, водорода, углекислого газа и окиси углерода.

Поскольку сварка никогда не производится голым электродом в воздушной среде, то источником кислорода в газовых смесях слу­жит углекислый газ, который либо вводится в сварочное пространст­во в виде защитного, либо образуется при диссоциации содержащих­ся в покрытии карбонатов с последующим разложением по реакции 2С02 = 2СО +02.

Источником азота является воздух, поглощенный при сварке. Азот практически полностью остается в металле, и его конечное содержа­ние хорошо характеризует качество защиты от воздуха. Допустимым при разных способах сварки считается содержание азота в металле шва в пределах 0,002...0,025%.

Водород попадает в металл при диссоциации молекул воды, со­держащейся в покрытиях, флюсах, газах, а также в виде химически связанной воды в гидроокисях на поверхности проволок или свари­ваемых кромок (ржавчина). Источником водорода могут быть и орга­нические соединения, содержащиеся в покрытиях некоторых марок электродов. Попадаемое в реакционное пространство количество вла­ги зависит от относительной влажности и температуры воздуха.

Шлаковая фаза, как уже было сказано, представляет собой сплав окислов металлов и солей. Сварочные шлаки состоят из основных окислов (MgO, MnO, FeO, К20, Na20), кислых (Si02, TiO,, Zr202) и амфотерных (Al20.{, В2Ог Fe20.{). В качестве солей при сварке сталей и медных сплавов широкое применение находит плавиковый шпат (фторид кальция CaF2), во флюсах для сварки таких химически ак­тивных металлов как алюминий и титан - фториды и хлориды ка­лия, натрия, лития, бария.

Химическая активность шлака определяется только содержанием в нем свободных (активных) окислов. Она зависит от соотношения коли­честв основных и кислотных окислов и приближенно оценивается ко­эффициентом основности

Ca0+Mg0+Mn0+K20+Na20
Si02 +ТЮ2 + Zr02

Шлаки называют основными, если В > 1, и кислыми, если В < 1. При В = 1 шлак нейтрален.

Все металлургические процессы, происходящие в плавильном про­странстве, можно разделить на физические и химические. К физи­ческим относятся испарение металла и растворение в нем газов.

Испарение связано с перегревом металла на стадии капли. Ввиду высокой температуры столба дуги и ее электродных пятен мо­жет испаряться 8...25% металла. Процесс этот неизбежен и вреден, так как он ведет к потере легирующих элементов и загрязнению окружа­ющей среды парами металла (которые при сварке цинка, магния, свин­ца и некоторых других металлов ядовиты).

Растворение газов в жидком металле. При сварке к таким газам относятся в основном водород и азот (рис. 5.4).

Растворение этих газов, содержащихся в газовой фазе над сва­рочной ванной, характерно почти для всех технических металлов и их сплавов. Азот не растворим лишь в меди и ее сплавах. Кисло­род, азот и водород в жидком металлическом расплаве находятся в атомарном состоянии. Молекула азота термически прочна и в условиях дуги диссоциирует слабо. Однако в этих же условиях при высокой температуре образуется закись азота по реакции N2 + + 02 = 2NO.

Растворение азота идет по реакции NO = [N] + [О].

При снижении температуры до температуры кристаллизации ме­талла происходит скачок снижения растворимости (см. рис. 5.4), что при большом содержании газа в жидком металле приводит к образо­ванию в металле шва газовой пористости из-за того, что при относи­тельно высокой скорости кристаллизации и малом времени нахож­дения металла в жидком состоянии газ не может полностью выделиться из расплава. Кроме пористости водород оказывает отри-
дательное влияние на металл с точки зрения понижения его стойкос­ти к образованию холодных трещин. Снижение содержания водоро­да и азота в металле шва может осуществляться технологическими и металлургическими методами. В первом случае используются все способы защиты от проникновения воздуха в реакционную зону (ка­чественное покрытие на электродах, флюсы, защитные газы, вакуу­мирование). Эти меры особенно хорошо защищают металл от азо­тирования. Для борьбы с проникновением водорода очищают проволоку, свариваемые кромки от окисных пленок и органических загрязнений, прокаливают флюсы и электроды, проводят осушку защитных газов.

К металлургическим средствам относят связывание водорода в га­зовой фазе с кислородом в соединение ОН (это реализуется при свар­ке в С02 и смесях других газов с кислородом). При сварке под флюсом водород может связываться фтором в соединение НЕ Эти соединения (ОН и HF) термически стойки и нерастворимы в жидком металле. Обнаружено также, что окисление сплава понижает растворимость в нем водорода, что используется при сварке в С02, в некоторых марках флюсов (АН-348А и ОСЦ-45) и электродных покрытий.

Идущие в головной части ванны реакции раскисления жидкого металла углеродом образуют выделяющиеся из металла пузырьки СО, которые способствуют удалению из него азота, водорода и кислорода за счет их диффузии в пузырьки угарного газа.

К химическим процессам, происходящим в плавильном простран­стве, относятся окисление, раскисление рафинирование и легирова­ние металла сварочной ванны.

Окисление жидкого металла (сплава) представляет со­бой переход кислорода в раствор жидкого металла. Кислород хоро­шо растворим в большинстве технических металлов и сплавов (в жид­ких Fe, Си, Ni, Ті) и практически нерастворим в жидком А1 и Mg. Как правило, содержание кислорода в сталях невелико (0,02...0,002%). При сварке в металле шва оно может увеличиваться до 0,1% за счет перехо­да из шлака с образованием относительно непрочных окислов Мп и Si, а также окисла железа (FeO). В первом случае кислород поступает в жидкий металл за счет кремний-марганцевосстановительного процес­са, приводящего к получению свободного Мп и Si и образования FeO. Впоследствии происходит растворение этого окисла по реакции (FeO)= = [Fe] + [О]. Образующийся свободный кислород попадает в металл сварочной ванны.

Процесс этот вреден, так как при кристаллизации расплава об­разуются окислы, которые уменьшают пластичность металла шва.

Кроме того, когда при понижении температуры концентрация кисло­рода в расплаве начинает превышать предел его растворимости на стадии ванны, происходит окисление легирующих элементов сплава.

Предупредить нежелательные последствия окисления можно, при­менив в качестве защиты бескислородные и неокислительные флю­сы или химически инертные газы (аргон, гелий). Меры эти успешно реализуются при сварке титановых, алюминиевых сплавов и некото­рых марок высоколегированных сталей.

Раскисление металла для большинства марок конструк­ционных сталей - это процесс получения чистых по кислороду ме­таллов. Существует два вида раскисления: диффузионное и осажда­ющее.

При диффузионном раскислении жидкий металл обрабатывает­ся кислым шлаком (флюсом), который, образуя силикаты, активно растворяет в себе (поглощает) кислород. Однако скорость диффу­зии кислорода в шлак мала, и при сварке этот путь реализуется труд­но.

При осаждающем раскислении на стадии ванны кислород связы­вается в окислы легирующих элементов, нерастворимые в сплаве. Элементы в данном случае называют раскислителями. Окислы могут оставаться в металле в виде неметаллических включений, загрязняя его и ухудшая такую важную характеристику металла шва как удар­ная вязкость. Для уменьшения опасности возникновения неметалли­ческих включений раскисление проводят одновременно нескольки­ми раскислителями. Образующаяся при этом смесь окислов (эндогенный шлак) имеет высокую жидкотекучесть и вытесняется из кристаллизующегося металла шва. Наиболее часто применяемы­ми раскислителями являются кремний и марганец при определен­ном соотношении их концентраций. Как правило, раскислители вво­дятся в жидкую ванну через проволоку, покрытие или флюс.

Одним из примеров рафинирования (очищения) металла при сварке является удаление из него таких вредных примесей как сера и фосфор, приводящих к образованию горячих трещин (сера) и охрупчиванию металла шва (фосфор).

Серу удаляют двумя путями: либо с помощью легирующего эле­мента с большим сродством к сере, либо с помощью основного шлака. Для первого пути часто используют марганец (титан, алюминий): [S] + [Mn] = MnS. MnS нерастворим в жидком металле.

К основным окислам относят, прежде всего, окислы кальция: [S]+(CaO)=(CaS)+[0].

В обоих случаях MnS и CaS уходят в шлак. По схеме второго про­цесса происходит также и связывание фосфора. Таким образом, уда­лению серы из металла ванны способствует раскисление металла, фосфора - его окисление. Учитывая вредное воздействие серы и фосфора, при разработке сварочных материалов не только регламен­тируется их повышенная чистота по этим примесям, но и уделяется внимание процессам рафинирования, производящим дополнитель­ную очистку металла от этих примесей.

Легирование металла шва осуществляется разными спо­собами. Основным из них является легирование путем перехода ле­гирующих элементов из проволоки соответствующего химического состава в сварочную ванну. Этот способ широко применим практи­чески при всех способах электродуговой и электрошлаковой сварки. Легирование может осуществляться также порошками металла или лигатурами, которые вводятся в состав электродных покрытий, кера­мических флюсов, порошковых проволок. Оба эти способа могут быть совмещены.

В этом случае полнота перехода легирующих элементов в металл шва зависит от сродства их к кислороду - чем оно меньше, тем переход больше. Часто применяется еще один способ - восстановление элемен­тов из окислов, находящихся в шлаке, с помощью основы сплава (для сталей - железа). Он особенно распространен при сварке малоуглеро­дистых и низколегированных сталей малоуглеродистой проволокой (Св-08А) и кислым флюсом ОСЦ-45 (АН-348А), содержащим боль­шое количество окислов МпО и SiOr Здесь за счет кремне-марганце­восстановительных процессов наблюдается легирование металла шва кремнием и марганцем.

Иными словами, легирование металла шва нужными элементами при сварке плавлением может происходить в результате:

• их попадания в металл шва за счет присадочного (электрод­ного) металла при электродуговой и электрошлаковой сварке;

• поступления легирующего элемента из расплавленных при свар­ке объемов основного металла;

• введения легирующих элементов в состав электродного покры­тия или флюса (преимущественно керамического).

Следует отметить, что легирование наплавленного металла и ме­талла шва в результате обменных реакций применяется, как правило, при необходимости введения не очень большого количества легиру­ющих элементов. Наиболее часто эти положения используются при механизированных способах сварки под флюсом.

Легирование воздействием газовой фазы при сварке имеет вто­ростепенное значение, хотя при сварке плавящимся электродом в среде углекислого газа возможно некоторое науглероживание наплавлен­ного металла и металла шва, особенно при низком исходном содер­жании углерода (обычное содержание углерода по сравнению с его содержанием в проволоке составляет не более 0,05%). Явление это следует рассматривать негативно, и полезным оно может быть лишь при упрочняющей наплавке.