§ 15. Взаимодействие металла с газами

Под воздействием теплоты электрической дуги проис­ходит расплавление кромок свариваемого изделия, элект­родного (или присадочного) металла, покрытия или флю­са. При этом образуется сварочная ванна расплавленного металла, 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.

Металлургические процессы, протекающие при сварке, определяются высокой температурой, небольшим объемом 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 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 объем ванны расплавленного металла (при ручной сварке он со­ставляет 0,5—1,5 см3, при автоматической — 24—300 см3) и интенсивный отвод теплоты в металл, окружающий ванну, не дает 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.

Кислород поступает в зону сварки из воздуха и 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, Fe203 и Fe304. В процессе окисления железа участвуют также находящие­ся в зоне дуги углекислый газ и пары воды.

- 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 содержа­

ния углерода в стали растворимость оксида железа снижа­ется. При высокой температуре стали растворимость окси­да железа выше, чем при низкой. 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, растворенным 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 СтЗ кислорода 0,001—0,002%, в спокойной стали— 0,03—0,08%. В металле шва при сварке незащищенной 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 нитриды железа (Fe2N, Fe4N), марганца (MnN) и кремния (SiN). При больших скоростях охлажде­ния азот не успевает полностью выделиться и составляет с металлом перенасыщенный твердый раствор. Со временем такой азот является причиной процесса старения металла.

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 — до 0,03%.

Азот является вредной примесью стали, так как, повы­шая прочность и твердость, 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 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, 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 с кислородом: алюминий, титан, кремний, углерод, мар­ганец. Эти элементы вводят в сварочную ванну либо через электродную проволоку (присадочный металл), либо через электродное покрытие или флюсы.

Алюминий в качестве раскислителя применяется ред­ко, так как он образует тугоплавкие оксиды и придает ста­ли склонность к образованию трещин.

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

2FeO 4 Ті = 2Fe + Ті02.

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 + SiOr

Одновременно протекает реакция образования силикатов Si02 + FeO= FeOSiO,.

Полученные оксиды и силикат оксида железа 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 распространенным актив­ным раскислителем. Он входит во многие электродные покрытия и флюсы. Раскисление происходит по реакции

FeO + Mn = Fe + МпО.

Оксид марганца, взаимодействуя с оксидом кремния, образует не растворяющийся в стали силикат оксида мар­ганца

МпО + Si02 = Mn0Si02.

Марганец также способствует удалению серы из стали

FeS + Mn = Fe + MnS.

Сернистый марганец не растворяется в стали и выхо­дит в шлак.

Для восстановления первичного химического состава металла, а в некоторых случаях и для улучшения механи­ческих свойств 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 и электродного металла.