Процессов, протекающих в условиях дуговой сварки, много. Рассмотрим те, которые имеют общий характер во всех или большинстве случаев выполнения сварки.

Диссоциация газов и соединений. При диссоциации происходит распад более сложных компонентов на атомы или составные части. Этому процессу способствуют наличие высоких температур в зоне сварки и каталитическое действие расплавленного металла. При дуговой сварке в первую очередь диссоциации подвергаются мо­лекулы газов как простых — кислород, азот, водород, так и слож­ных — углекислый газ С02, пары воды Н20 и др. Диссоциация газов происходит по реакциям

о2 0 + 0

N2 ^ N + N

н2 ^ н + н

со2 со + о

Кислород и водород при температурах дуги практически пол­ностью диссоциируют на атомы, азот диссоциирует в меньшей степени.

Диссоциация водяного пара в зависимости от температуры проходит по реакциям

н2о^ н2 + О

н2о он + н

Следовательно, в зависимости от условий протекания ]>еакций водяной пар может окислять или восстанавливать металл сварочной ванны.

Диссоциации подвергаются и более сложные соединения. Во многих электродных покрытиях и флюсах содержится плавиковый шпат CaF2. При высоких температурах он разлагается по реакции

CaF2 -> CaF + F

Атомы фтора, соединяясь с электронами, превращаются в ионы с малой подвижностью. Это ведет к снижению проводимости дугового промежутка и ухудшению стабильности дуги. Но в то же время атомы фтора способны связывать водород в молекулы HF, не растворяющиеся в металле ванны, уменьшая насыщение металла шва водородом.

В состав многих покрытий электродов входят карбонаты, например СаСО,. Разлагаясь при высоких температурах, они выде­ляют углекислый газ, который в свою очередь диссоциирует с образованием кислорода:

СаСО, ^ СаС + С02 С02 -> СО + О

Находясь в атомарном состоянии, газы становятся химически активными и, реагируя с металлом, резко ухудшают его качество.

Окисление металла ари сварке. Металл сварочной ванны может окисляться за счет кислорода, содержащегося в газовой среде и шлаках в зоне сварки. Кроме того, окисление может происходить и за счет оксидов (окалины, ржавчины), находящихся на кромках деталей и поверхности электродной проволоки. При нагреве име­ющаяся в ржавчине влага испаряется, молекулы воды диссо­циируют, а получающийся кислород окисляет металл. Окалина при плавлении металла превращается в оксид железа также с выде­лением свободного кислорода. При недостаточной защите свароч­ной ванны окисление происходит за счет кислорода воздуха.

Кислород с железом образует оксиды: FeO (22,3% 02), Fe304 (27,6% 02), Fe203 (30,1% 02). При высокой температуре сварочной дуги за счет атомарного кислорода в результате реакции Fe + О

FeO образуется низший оксид, который при понижении темпе­ратуры может переходить в другие формы высших оксидов.

Наибольшую опасность для качества шва представляет оксид FeO, способный растворяться в жидком металле. Этот оксид обла­дает температурой плавления меньшей, чем у основного металла. Поэтому при кристаллизации металла шва он затвердевает в пос­леднюю очередь. В результате он располагается в виде прослоек по границам зерен, что вызывает снижение пластических свойств металла шва. Чем больше кислорода в шве находится в виде FeO, тем сильнее ухудшаются его механические свойства. Высшие оксиды железа не растворяются в жидком металле и, если они не успевают всплывать на поверхность сварочной ванны, остаются в металле шва в віще шлаковых включений.

Железо может окисляться также за счет кислорода, содержаще­гося в С02 и парах воды Н20:

Fe + C02^Fe0 + C0 Fe + Н20 FeO + Н2

В процессе-сварки кроме железа окисляются и другие элементы, находящиеся в стати,— углерод, кремний, марганец. При переходе капель электродного металла в дуге окисление элементов происходит в результате взаимодействия их с атомарным кислоро­дом газовой среды дугового промежутка: С + О -> СО, Мп + О -> > MnO, Si 20 > Si02.

В сварочной ванне элементы окисляются при взаимодействии их с оксцдом железа:

С + FeO СО + Fe Mn + FeO MnO + Fe Si + 2FeO ^ Si02 + 2Fe

Окисление этих элементов приводит к уменьшению их содер­жания в металле шва. Кроме того, образующиеся оксиды могут оставаться в шве в виде различных включений, значительно снижающих механические свойства сварных соединений, особенно пластичность и ударную вязкость металла шва. Повышенное содер­жание кислорода вредно влияет и на другие свойства —уменьшает стойкость против коррозии, повышает склонность к старению металла, сообщает ему хладноломкость и красноломкость. Поэтому одним из условий получения качественного металла шва является предупреждение окисления его в первую очередь путем создания различных защитных сред.

Раскисление металла при сварке. Применяемые при сварке защитные меры не всегда обеспечивают отсутствие окисления расплавленного металла. Поэтому его требуется раскислить. Рас­кислением называют процесс восстановления железа из его оксида и перевод кислорода в форму нерастворимых соединении с последующим удалением их в шлак. Окисление и раскисление, в сущности, представляют два направления протекания одного и того же химического процесса. В общем случае реакция раскисления имеет вид FeO + Me^^Fe + МеО, где Me — раскислителъ.

Раскислителем является элемент, обладающий в условиях

сварки большим сродством к кислороду, чем железо. В качестве раскислителей применяют кремний, марганец, титан, алюминий, углерод. Раскислители вводят в сварочную ванну через электродную проволоку, покрытия электродов и флюсы. Ниже приведены наиболее типичные реакции раскисления.

Раскисление марганцем: Fe + Mn^^Fe + MnO.

Оксид марганца малорастворим в железе, но сам хорошо раст ­воряет оксид железа FeO, увлекая его за собой в шлак.

Раскисление кремнием: 2FeO + Si^=^2Fe + Si02.

Оксид кремния плохо растворим в железе и всплывает в шлак. Раскисление кремнием сопровождается реакциями образования более легкоплавких комплексных силикатов марганца, кремния и железа, которые лучше переходят в шлак:

MnO + Si02 = MnO - Si02 FeO + Si02 = FeO • Si02

Раскисление титаном: 2FeO + Ті = 2Fe + TiO.

Титан — энергичный раскислителъ, при этом образуются лег­коплавкие титанаты марганца и железа:

МпО + ТЮ2 — МпО • ТЮ2 FeO + ТЮ2 = FeO • ТЮ2

Марганец, кремний и титан вводят в сварочную ванну через электродную проволоку, легируя ее через покрытие электрода или флюс, вводя соответствующие ферросплавы.

Раскисление углеродом: FeO + С = Fe + СО.

Образующийся оксид углерода выделяется в атмосферу в газо­образном состоянии, вызывая сильное кипение сварочной ванны и

образуя поры в шве. Для получения плотных швов реакцию раскис­ления углеродом следует «подавить» введением в сварочную ванну других раскислителей, например кремния.

Взаимодействие с азотом. Азот воздуха, попадая в столб дуги, ра«огревается и частично диссоциирует. В атомарном состоянии njor растворяется в жидком металле. В процессе охлаждения азот выпадает из раствора и взаимодействует с металлом, образуя ряд соединений —нитридов Fe2N, Fe4N. Атомарный азот может соединяться и с кислородом, образуя оксид азота NO, который, растворяясь в каплях электродного металла, переходит в сварочную ванну. Содержание азота в металле шва вредно влияет на его механические свойства, особенно пластичность. Кроме того, насы­щение металла азотом способствует образованию газовых пор. С'нижение азота проводят для защиты расплавленного металла от воздуха или введения в него химических элементов, удаляющих азот к виде неметаллических включений.

Взаимодействие с водородом. Водород может попасть в зону сварки из влаги покрытия электрода или флюса, ржавчины на поверхности сварочной проволоки и детали, из воздуха. Атомарный водород хорошо растворяется в жидком металле, и с увеличением температуры нагрева растворимость увеличивается. Важной зако­номерностью в поведении газов является скачкообразное изменение их растворимости в металле при фазовых изменениях его и особенно при переходе из жидкого состояния в твердое (рис. 6.1).

При охлаждении и кристаллизации сварочной ванны выделя­ющийся водород не успевает полностью удаляться из металла шва. ію приводит к образованию в нем газовых пор. Кроме того, атомы водорода, диффундируя в имеющиеся полости и несплошности в затвердевающем металле, приводят к повышению в них давления, развитию вчметаллс внутренних напряжений и образованию микро­трещин. Снижение газснасыщения швов проводят за счет качест­венной защиты расплавленного металла при сварке очисткой и прокалкой свариваемого и сварочных материалов.

Реакции с серой и фосфором.

Сера является вредной при­месью в сталях. В сварочную нанну она попадает из основно­го металла, сварочной прово­локи и иногда из покрытия электродов или флюса. В метал­ле сера может находиться в виде соединений —сульфидов.

Особо вреден сульфид железа FcS, хорошо растворимый в же­лезе. Наличие в металле шва серы снижает его механические свойства и сильно повышает

СКЛОННОСТЬ К образованию Трс - Рис. (i. l. Растворимость полпреда в ЩИН - Поэтому десульфурация, отрицаемом металле
очистка металла от серы, имеет целью уменьшение общего содер­жания серы в шве и особенно FeS. Десульфурацию проводят введением в сварочную ванну элементов, имеющих большее срод­ство к сере, чем железо. Образующийся сульфид элемента должен плохо растворяться в металле и хорошо в шлаке. Таким элементом

является марганец, обладающий большим сродством к сере. Сульфид марганца не растворяется в металле, имеет малую плот­ность и легко всплывает в шлак сварочной ванны.

Процесс идет по реакциям

FeS + Мп — MnS + Fe FeS Р MnO = MnS + FeO

Такого же эффекта достигают введением кальция по реакции FeS + СаО = FeO + CaS.

Оксид кальция получают разложением в дуге мрамора СаС03.

Реакции с фосфором. Фосфор также вредная примесь в сталях. Пути попадания его в шов те же самые, что и для серы. В металле фосфор находится в виде соединений — фосфидов железа с темпе­ратурой плавления много ниже, чем у железа (1170°С):

3Fc ч Р — Fc3P
2Fe + Р = Fe3P

Фосфор в металле шва располагается по границам зерен в виде легкоплавкой прослойки и приводит к сильной неоднородности металла, росту зерен и снижению пластичности, особенно при низких температурах, вызывая хладноломкость металла. Удаление фосфора проводят его окислением и последующим связыванием в прочное соединение, удаляемое в шлак:

2Fe2P + 5FeO = Р205 + 9 Fe
2Fe3P + 5FeO = P205 + 11 Fe

Затем происходит связывание оксида фосфора по реакциям
ЗСаО + Р205 = Са3Р20><

4СаО t P2Os = Са4Р209

Полученные соединения выводятся в шлак.