Металлургические процессы при сварке по своему характеру и скорости протекания значительно отличаются от подобных процес­сов в большой металлургии, где они проходят в течение длительно­го времени и достигают равновесного состояния.

Для ручной дуговой сварки характерны следующие отличитель­ные особенности: малая масса расплавленного металла (масса капли до 0,4-0,5 г, сварочной ванны — до 4-5 г); краткое время существо­вания металла в жидком состоянии (капли — до 0,4-0,5 с, сварочной ванны — от 1 до 6-8 с); быстрый отвод теплоты от сварочной ванны в прилегающие к ней участки основного металла; высокая скорость нагрева, сопровождаемая перегревом расплавленного металла на 500-800°С выше температуры плавления; очень высокая темпера­тура окружающей расплавленный металл газовой фазы, приближа­ющаяся к температуре дуги (до 5200-5600 °С); постоянное движе­ние капли, металла сварочной ванны, шлаковой и газовой фаз; су­щественное различие температур металла в капле (2100-2300 °С), головной (1700-2100 °С) и хвостовой (1500-1700 °С) частях ван­ны; одномоментное протекание различных стадий металлургичес­кого процесса — раскисления, легирования, рафинирования и др.; площадь взаимодействия поверхности капель жидкого металла и сварочной ванночки с газами и шлаком, приходящаяся на единицу массы жидкого металла в единицу времени, в несколько тысяч раз превосходит аналогичный показатель при выплавке стали.

Кроме того, если при выплавке металла в металлургии ванна жидкого металла находится в нижнем положении, то расплавление электродного металла часто происходит в пространственных поло­жениях, отличных от нижнего.

Образование и кристаллизация сварочной ванны. При дуговой сварке основной металл расплавляется и перемешивается с жид­ким металлом, переходящим с плавящегося электрода отдельными каплями. Число капель, образующихся на торце электрода, зависит от состава металла стержня, его диаметра, состава и количества по­крытия, силы сварочного тока, рода тока и может колебаться от 2 до 30 капель в секунду.

Головная часть образующейся сварочной ванны, которая нахо­дится под непосредственным воздействием электрической дуги, имеет высокую температуру. В задней (хвостовой) части темпера­тура лишь несколько превышает температуру плавления металла. Средняя температура сварочной ванны при сварке углеродистой стали оценивается в 1700-1800°С.

Длина сварочной ванны зависит от ряда факторов. Она растет при повышении силы сварочного тока, увеличении диаметра элект­рода и скорости сварки, при уменьшении до определенного предела толщины свариваемого металла, зависит от вида электродного по­крытия.

Под давлением газов, поступающих от электрода, в головной ча­сти сварочной ванны образуется углубление, называемое кратером. Выдуваемый из кратера жидкий металл перемещается в хвостовую, менее горячую часть ванны. По мере удаления источника тепла (сварочной дуги) происходит дальнейшее охлаждение и затверде­вание (кристаллизация) металла хвостовой части. Кристаллиза­ция — это процесс перехода металла ванны из жидкого состояния в твердое с образованием кристаллов (зерен). Так как теплоотвод на­правлен, главным образом, в сторону основного металла, то крис­таллизация шва начинает происходить на частично оплавленных зернах этого металла, образуя кристаллы, одновременно принадле­жащие свариваемому металлу и металлу шва. Это обеспечивает прочную связь металла шва с металлом свариваемого изделия.

Таким образом, образование капель жидкого металла на торце электрода и их перенос в расплавленную ванну происходит в тече­ние весьма короткого промежутка времени, измеряемого долями секунд. В это время капли взаимодействуют с атмосферой свароч­ной дуги и жидким шлаком из плавящегося покрытия электрода. Взаимодействие жидкой сварочной ванны с газовой фазой и шла­ком более длительно, но и оно не превышает нескольких секунд.

Все это приводит к интенсификации металлургических процес­сов при сварке и обеспечивает возможность получения высокого качества наплавленного металла за весьма короткий срок. В то же время скоротечность процессов требует точного соблюдения техно­логии изготовления и применения электродов, так как даже не­большие отклонения могут привести к нарушению течения свароч­ного процесса и вызвать появления брака.

Сварка голыми или тонкопокрытыми электродами. В годы зарождения ручной дуговой сварки в качестве электродов служили голые стержни из низкоуглеродистой стали. В дальнейшем для по­вышения стабильности горения сварочной дуги на стержни стали наносить тонкий слой (1-4% от массы стержня) стабилизаторов ду­ги — чаще всего мел, замешанный на жидком стекле малой плотнос­ти. Такое количество, облегчая выполнение сварки, практически не влияет на ход металлургических процессов. Как и при использова­нии голых стержней в наплавленном металле наблюдается сниже­ние содержания углерода, марганца и кремния. Например, при ис­пользовании стержней с 0,09% углерода, 0,42% марганца и 0,04% кремния содержание этих элементов в наплавленном металле соот­ветственно составляет около 0,03; 0,20 и 0,01%. При этом содержа­ние вредных примесей, таких как сера и фосфор, возрастает на 10-15% по сравнению с их исходным содержанием в проволоке. По­скольку сварку практически выполняют без какой-либо защиты об­разующихся капель и сварочной ванны от воздействия атмосферы воздуха, то наплавленный металл насыщается кислородом и азотом.

В табл. 15 приведены данные о содержании этих газов в метал­ле, наплавленном голыми электродами различного диаметра с ис­ходным содержанием в стержнях кислорода <0,02% и азота <0,01%.

Видно, что концентрация кислорода и азота в металле швов при сварке голыми электродами резко возрастает по сравнению с их ис­ходной концентрацией в проволоке. Большее содержание этих газов в швах, выполненных электродами меньших диаметров, связано с более высокой относительной поверхностью взаимодействия жид-

ких капель с атмосферой воздуха. Однако и при больших диамет­рах стержней концентрация газов остается недопустимо высокой.

Влияние кислорода, азота и водорода на свойства наплавлен­ного металла. Вредное влияние кислорода, азота и водорода на ра­бочие характеристики конструкционной стали и сварных швов об­щеизвестна, и причины этого изложены ниже.

Растворимость кислорода в жидком железе при температуре его плавления составляет 0,175%. Повышение температуры жидкого железа приводит к росту растворимости. В то же время в твердом железе при комнатной температуре кислород растворяется в малом количестве — порядка 0,001%. Поэтому основная часть кислорода в сварных швах находится в виде оксидных включений железа, мар­ганца, кремния и других элементов.

Эти включения, часто располагаясь по границам зерен, отрица­тельно сказываются на механических свойствах наплавленного ме­талла. Они снижают его прочность и пластичность, придают ему хрупкость, особенно при отрицательных температурах.

Растворимость азота в железе зависит от его парциального дав­ления (части давления, приходящейся на долю данного газа в сме­си газов), а также от температуры и агрегатного состояния железа (твердое, жидкое). При температуре ниже 500 °С азот в железе не­растворим. В твердом железе при температуре его плавления и дав­лении азота в 101 кПа он растворяется в количестве 0,013%, а в жидком при той же температуре его растворимость скачкообразно увеличивается в три раза и составляет 0,039%. Рост температуры жидкого металла приводит к дальнейшему существенному увели­чению растворимости азота.

В процессе кристаллизации металла шва с повышенным содержа­нием азота его растворимость в твердом металле скачкообразно сни­жается. Азот начинает выделяться на границе растущих твердых кри­сталлов с жидким металлом. Это может привести к образованию в швах газовых пузырьков (пор), являющихся браковочным признаком.

Наличие азота в твердом металле приводит к образованию твер­дого и хрупкого химического соединения азота с железом (нитрида железа). Этот процесс, называемый старением металла, протекает медленно. В результате старения прочность металла шва сущест­венно возрастает, а его пластические свойства резко снижаются; шов становится хрупким.

Водород, как азот и кислород, при высоких температурах рас­творяется в большинстве металлов. Его растворимость зависит от парциального давления, температуры и агрегатного состояния ме­талла. При температуре до 100-200 °С водород в железе практиче­ски нерастворим.

В твердом железе при температуре его плавления и парциаль­ном давлении 101 кПа водород растворяется в количестве 13,6 мл на 100 г железа. При этих же условиях в жидком железе раство­римость водорода скачкообразно возрастает более чем в два раза и составляет 27,5-28 мл/100 г. Дальнейшее повышение температуры до 2400-2500 °С сопровождается увеличением растворимости во­дорода до 42,5 мл/100 г.

В процессе сварки в кристаллизующемся металле шва раство­римость водорода резко снижается. Твердый металл пересыщается водородом. В связи с большой подвижностью водорода, находяще­гося в растворе в виде атомов или ионов, он интенсивно выделя­ется на границе твердого и жидкого металлов. При определенных условиях это может привести к пористости сварных швов.

Водород, оставшийся в твердом металле, выделяется в атмосфе­ру через поверхность шва. Вместе с этим он поступает в микропо­лости, имеющиеся внутри швов. Превращаясь в молекулярную форму, водород создает в полостях высокое давление, способное образовать надрывы в металле. Водород снижает пластичность сварного соединения и при сварке стали повышенной прочности может вызвать появление трещин.

Из изложенного видно, что для получения наплавленного ме­талла высокого качества его следует предохранять от насыщения газами. Очевидно, в первую очередь необходимо защитить свароч­ную ванну от воздействия воздуха и предохранить полезные эле­менты от выгорания.

Защита сварочной ванны от воздействия атмосферы воздуха. Сначала защиту жидкого металла, включая капли, переходящие с электрода, производили за счет нанесения достаточно толстого по­крытия, состоящего из рудных и нерудных шлакообразующих мате­риалов, применяемых при выплавке стали. Затем дополнительно стали использовать различные минералы (ильменит, тальк, каолин и др). Такие покрытия из рудоминеральных компонентов позволи­ли существенно повысить сварочно-технологические свойства элек­тродов: дуга горела достаточно стабильно, швы приобрели правиль­ную форму, без подрезов и других видимых дефектов.

Также удалось несколько снизить содержание азота в металле швов за счет высокой кроющей способности шлака, защищавшего капли жидкого металла в процессе их образования и переноса в сварочную ванну. Однако такая защита была недостаточно эффек­тивной. Содержание азота и особенно кислорода оставалось повы­шенным, марганец, кремний и углерод выгорали, механические свойства наплавленного металла были недопустимо низкими. Сни­зить содержание азота удалось за счет комбинированной шлако-га - зовой защиты жидкого металла, используя одновременно шлакооб­разующие и газообразующие компоненты.

В настоящее время в качестве шлакообразующих применяют кварц, рутил, плавиковый шпат, гранит, полевой шпат[1] и др.

Карбонаты (мрамор, мел, магнезит, доломит) являются одно­временно и шлакообразующими и газообразующими. При нагрева­нии карбонатов до высокой температуры (700-900 °С) они разлага­ются на оксид металла, являющийся составной частью шлака, и уг­лекислый газ С02, который оттесняет воздух от сварочной ванны и капель жидкого металла, образующихся на торце электрода. Этим осуществляется надежная защита металла шва от азота. Однако в связи с тем, что углекислый газ при высокой температуре дуги дис­социирует на оксид углерода СО и кислород, атмосфера дуги оста­ется окислительной. Поэтому жидкий металл насыщается кислоро­дом, а углерод, марганец и другие элементы, обладающие повышен­ным сродством к кислороду, выгорают.

В качестве газообразующих веществ применяют некоторые угле­воды (органику) — главным образом целлюлозу (C6H10Og)n. Разло­жение углеводов при высокой температуре происходит с выделени­ем оксида углерода, водорода и водяных паров. Наличие в атмосфере дуги водорода и водяных паров приводит к насыщению металла шва водородом. Поэтому газовая защита за счет органики допускается только в электродах, предназначенных для сварки низкоуглеродис­тых конструкционных сталей, мало чувствительных к водороду.

Так же, как при применении карбонатов, газовая защита за счет разложения углеводов сочетается со шлаковой защитой, что позволя­ет обеспечивать высокие сварочно-технологические свойства. Для на­дежной защиты от атмосферы воздуха достаточно введения в состав покрытия электродной целлюлозы (1,5-2,0% от массы стержня).

Однако, как и при использовании карбонатов, применение орга­ники защищает от влияния атмосферы воздуха, но не предохраняет металл шва от окисления.

Окисление происходит или за счет кислорода, содержащегося в образующихся газах (например, в водяных парах), или за счет окисления жидкого стекла оксидами ряда элементов, входящими в состав покрытия электродов. Экспериментально установлено, что повышение содержания оксидов железа в шлаке сопровождается закономерным увеличением кислорода в жидком металле. Извест­но также, что сварка окисленного (ржавого) металла также приво­дит к росту кислорода в швах. Для снижения содержания кислоро­да в наплавленном металле до приемлемого уровня необходимо раскисление жидкого металла (удаление из него кислорода) специ­альными раскислителями.

Раскисление наплавленного металла. Кислород находится в жидком металле, главным образом, в атомарной форме, а также в виде оксидов некоторых элементов. Элементы, применяемые в ме­таллургии, обладают определенным сродством к кислороду. По степени уменьшения этого сродства их можно расположить в сле­дующий ряд: кальций (Са) — магний (Mg) — алюминий (А1) — ти­тан (Ті) — ниобий (Nb) — кремний (Si) — ванадий (V) — марганец (Мп) — хром (Сг) — молибден (Мо) — вольфрам (W) — железо (Fe) — кобальт (Со) — никель (Ni) — медь (Си). Чем правее стоит элемент в этом ряду, тем меньшим сродством к кислороду он обла­дает. Наибольшее сродство к кислороду имеет кальций, наимень­шее — медь.

Разница в сродстве к кислороду двух соседних элементов неве­лика. Если же элементы отстоят в ряду достаточно далеко, то раз­ница будет значительной, и в этом случае элемент, стоящий левее, может служить раскислителем элемента, расположенного правее. Например, для железа раскислителями могут явиться марганец, ва­надий, кремний и др. Раскисление железа, формально рассматрива­емое как восстановление его из оксида, протекает по реакции

FeO+Mn=Fe+MnO; 2Fe0+Si=2Fe+Si02 и т. п.

Реакции раскисления не протекают до конца. Степень раскисле­ния зависит от концентрации элемента-раскислителя и температу­ры. По мере повышения температуры раскисляющая способность элемента снижается, и содержание кислорода, сосуществующего с одной и той же концентрацией элемента-раскислителя, возрастает.

При 1800 °С в чистом железе может раствориться 0,485% кисло­рода (по массе), а при наличии 1% марганца уже только 0,24%, в присутствии 0,1% титана — лишь несколько сотых процента. При

температуре 2000 °С в чистом железе может раствориться 0,87% кислорода. Введение раскислителей снижает его концентрацию, но даже при введении 0,3% кремния содержание кислорода будет со­ставлять около 0,2%.

Углерод при относительно низких температурах (1540 °С) явля­ется сравнительно слабым раскислителем, но, начиная с 1850 1900 °С, его раскисляющая способность превышает способность многих элементов.

Практически раскисление наплавляемого металла можно про­изводить:

• за счет введения в состав покрытия электродов порошков фер­росплавов (сплавов железа с элементами-раскислителями), та­ких как ферромарганец, ферросилиций, ферросиликомарганец, ферротитан, ферроалюминий и др. В специальных случаях при­меняют металлический марганец и алюминий;

• за счет раскислителей, содержащихся в металле стержня, с до­полнительным введением раскислителей в состав покрытия.

В процессе плавления электрода элементы, обладающие по­вышенным сродством к кислороду, частично реагируют с кисло­родом атмосферы дуги и расплавленным шлаком, частично — пере­ходят в капли жидкого металла, образующиеся на торце электрода, и в небольшом количестве переходят непосредственно в сварочную ванну.

При взаимодействии активных элементов с кислородом атмо­сферы дуги и кислородом шлака происходит их окисление, в ре­зультате чего содержание кислорода как в атмосфере дуги, так и в шлаке снижается, и скорость окисления жидкого металла будет уменьшаться. В связи с малым временем контакта атмосферы дуги и шлака с жидким металлом, последний в меньшей степени насы­щается кислородом, чем при отсутствии раскислителей. Таким об­разом, в процессе плавления электродов в расплавленный металл одновременно переходят как кислород, так и раскислители. Их вза­имодействие между собой в жидком металле будет происходить только в том случае, если при имеющейся температуре содержание кислорода в жидком металле окажется больше, чем равновесного для данной концентрации раскислителя. Например, при темпера­туре капли 1950 °С и содержании в ней кремния 0,3% равновесное содержание кислорода составляет 0,15%. Поэтому реакция между кислородом и кремнием 2Fe0+Si=2Fe+Si02 будет протекать в том случае, если содержание кислорода превышает эту цифру.

Совершенно очевидно, что эта реакция будет протекать до тех пор, пока не установится определенное равновесие между содержа­нием кислорода, кремния и диоксида кремния. Если содержание кислорода в жидком металле будет равно или меньше 0,15%, то при указанных температуре и концентрации кремния (0,3%) кремний и кислород будут сосуществовать, не вступая в реакцию.

Степень раскисления металла другими элементами-раскислите - лями определяется сродством этих элементов к кислороду, тем­пературой и концентрацией раскислителя. Результатом реакции будет снижение содержания кислорода, растворенного в металле (восстановление металла), и окисление элемента-раскислителя до определенной концентрации.

Вместе со снижением температуры жидкого металла раскисля­ющая способность всех раскислителей возрастает. Поэтому раскис­ление металла происходит вплоть до его кристаллизации. Обра­зующиеся оксиды элементов-раскислителей имеют температуру плавления более высокую, чем температура плавления железа. По­этому они выпадают в виде твердых мелкодисперсных включений, которые отрицательно влияют на пластические свойства металла шва, особенно при низких температурах.

С целью уменьшения количества оксидных включений и для их укрупнения в некоторых случаях применяют комплексное раскис­ление наплавленного металла двумя или тремя раскислителями, чаще всего кремнием и марганцем. Для этого в покрытие электро­дов вводят ферросилиций и ферромарганец или ферросиликомар - ганец в количествах, обеспечивающих в наплавленном металле со­держание марганца, в 3-4 раза превышающее содержание кремния.

При- этих условиях остаточное содержание кислорода снижает­ся, а продукты раскисления МпО и Si02 частично вступают во вза­имодействие между собой и образуют соединения типа Mn0-Si02 или (Mn0)2-Si02, которые имеют температуру плавления ниже, чем температура плавления металла. Это способствует укрупне­нию включений, что повышает механические свойства наплавлен­ного металла.

Раскисление металла углеродом имеет свои особенности, так как в процессе взаимодействия кислорода с углеродом по реакции FeO+C=Fe+CO образуется газообразный оксид углерода.

В зависимости от температуры жидкого металла, содержания в нем кислорода, углерода и других элементов в металле шва могут образоваться газовые включения (поры).