Взаимодействие кислорода с расплавленным метал­лом сварочной ванны. В зоне сварочной дуги имеются газовая, шлаковая и металлическая фазы.

При изучении реакций, протекающих в сварочной ван­не, следует учитывать возможность окисления жидкого металла свободным (молекулярным и атомарным) кис­лородом газовой фазы, кислородом, находящимся на свариваемых кромках в виде окислов и шлаков, кислоро­дом, растворимым в металлической ванне и химически активных шлаках, которые вступают в процессе сварки в обменные окислительные и восстановительные реакции с металлом сварочной ванны. Находящийся в газовой фазе молекулярный и атомарный кислород соединяется с металлом сварочной ванны.

Железо с кислородом образует три соединения (окис­ла), имеющих весьма важное значение в металлургиче­ских процессах, происходящих при сварке плавлением: закись железа FeO, содержащую 22,27% 02, закись — окись железа Fe304, содержащую 27,64% 02, окись желе­за Fe203, содержащую 30,06% 02.

Из всех трех окислов растворима в железе только закись. Остальные окислы в железе практически не рас­творимы и на его свойства влияния почти не оказывают. Однако окалина и ржавчина на свариваемых кромках, содержащие высшие окислы (закись-окись и окись же­леза), свободным железом могут раскисляться до заки­си по реакциям

Fe304 + Fe = 4FeO,

FePg + Fe = 3FeO.

Образующаяся закись железа растворяется частично в шлаке и частично в расплавленном металле, вследст­вие чего в сварном шве образуются поры. В твердом же­лезе растворимость кислорода невелика.

Для уменьшения растворимости окисла в металле необходимо иметь соответственно более низкую концент­рацию окисла в шлаке, в результате окисел будет стре­миться перейти из металла в шлак. Наоборот, более высокая концентрация окисла в шлаке способствует его переходу в металл. Металл может окисляться и под действием химически активных, по кислороду, окислов (шлаков), например, кремния и марганца.

Si02 + 2Реж = 2FeO + [Si],

MnO + Fe* = FeO + [Мл].

(В этих формулах индекс Ж указывает, что Fe нахо­дится в виде расплава, а знак [ ], что элемент раство­

рен в металлической фазе).

При наличии в газовой фазе сложных газов, таких, как, например, С02 и Н20, которые при диссоциации вы­деляют кислород, также происходит окисление металла сварочной ванны.

Если жидкий металл содержит элементы-раскислите — ли, которые имеют большее сродство к кислороду, чем металл сварочной ванны, то в этом случае концентрация кислорода в сварочной ванне может быть значительно уменьшена за счет элементов раскислителей.

Взаимодействие водорода, азота и сложных газов с расплавленным металлом сварочной ванны. Водород в составе газовой фазы может находиться в молекулярном или атомарном состоянии, что зависит от температуры. При более высоких температурах молекулярный водо­род диссоциирует на атомарный и ионизированный. Ме­таллы, способные растворять водород, можно разделить на две группы. К первой группе относятся металлы, не имеющие химических соединений с водородом (железо, никель, кобальт, медь и др.). Металлы первой группы поглощают водород в твердом состоянии, растворимость которого в них увеличивается при плавлении и зависит от состояния водорода.

Ко второй группе относятся металлы, образующие с водородом гидриды, представляющие химическое соеди­нение металла с водородом (палладий, цирконий, титан, ванадий, торий, тантал и редкоземельные элементы). При небольших количествах поглощенного водорода эти металлы образуют с ним твердые растворы, а при более значительных количествах — гидриды. Легирующие эле­менты оказывают самое разнообразное влияние на рас­творимость водорода в сплавах железа. Углерод, крем­ний, алюминий и хром снижают растворимость водоро­да в сплавах железа, а титан и ниобий ее увеличивают. Растворенный водород в сварочной ванне и его неполное выделение в период кристаллизации приводят к образо­ванию дефектов: пор, макро — и микротрещин в металле шва, а также холодных и горячих трещин в околошов — ной зоне.

Концентрация водорода в сварочной ванне может быть уменьшена путем создания нерастворимых соеди­нений водорода в металле, как, например, фтористого во­дорода HF, а также путем некоторого окисления свароч­ной ванны.

Азот. В зависимости от температуры азот, как и во­дород, в газовой фазе зоны дуги может находиться в мо­лекулярном, атомарном и ионизированном состояниях.

Основным источником азота в газовой фазе зоны дуги является окружающая атмосфера. Растворимость азота в железе зависит от его состояния. Азот не растворяется в меди, никеле, золоте, серебре и не образует с этими металлами химических соединений. С железом он обра­зует нитриды Fe2N (11,15% N) и Fe4N (5,9% N). Азот способствует образованию пор в металле шва. Увеличе­ние концентрации азота в низкоуглеродистых сталях влияет на прочностные и пластические свойства этих сталей, а также способствует старению металла. Иногда его вводят в состав легированных сталей для получения аустенитной структуры. В этом случае он является ау — стенитизатором и рассматривается как ценная легиру­ющая добавка.

Углекислый газ, В составе газовой фазы зоны дуги углекислый газ С02 присутствует в значительных коли­чествах. Это особенно заметно при сварке электродами, покрытие которых создано на основе мрамора и плави­кового шпата. В процессе плавления такого покрытия происходит диссоциация карбоната кальция с образова­нием углекислого газа.

СаС03 = СаО + СОа,

Углекислый газ активно окисляет жидкий металл,

соа = со + ^-оа

Fe* + — j-Oa = [FeO]f СОа + Fex = [FeO] + СО

где [FeO] — закись железа, растворившаяся в железе.

Образующаяся окись углерода СО в металле шва не растворяется, в процессе кристаллизации сварочной ван­ны она выделяется и образует поры. Углекислый газ мо­жет быть использован для защиты зоны сварки от воз­духа, если в состав проволоки ввести марганец и крем­ний, которые будут нейтрализовать реакцию образова­ния СО.

Водяной пар, находящийся в газовой фазе, образует­ся из влаги покрытия и флюса, влаги ржавчины, находя­щейся на поверхности свариваемых кромок, а также в результате реакций, протекающих в покрытиях и газо­вой фазе.

Водяной пар с жидким металлом взаимодействует по уравнению

Н20 + Реж = [FeOJ + На.

При электрической сварке плавлением газовая фаза зо­ны дуги, контактирующая с жидким металлом, состоит из смеси С02, СО, Н2О, Н2, 02, N2, а также продуктов их диссоциации (О, Н, N, ОН) и паров металла и шлака.

Кислород, находясь в сварочной ванне, образует с железом закись железа FeO, которая, растворяясь в сва­рочной ванне, снижает прочностные свойства металла шва.

Водород, оставшийся в расплавленном металле, впо­следствии является причиной образования холодных трещин.

Азот способствует старению шва, образованию пор в шве, а в целом снижает прочностные свойства сварно­го соединения.

Влияние серы и фосфора на качество сварных соеди­нений. Сера, соединяясь с железом, образует сульфид железа FeS, который является вредной примесью в ме­талле шва. Сульфид железа в период кристаллизации сварочной ванны образует эвтектику FeS — Fe, имею­щую меньшую, чем сталь, температуру плавления (940° С) и малую растворимость в жидкой стали. Это является причиной образования горячих трещин, по­скольку эвтектика при кристаллизации располагается между зернами стали. Вредное влияние оказывает и фосфор, снижающий ударную вязкость металла шва. Для ликвидации вредного влияния серы и фосфора не­обходимо уменьшить их содержание в металле шва пу­тем создания их соединений, нерастворимых в металле.

Легирование металла шва. Легирование металла * шва может быть получено расплавлением присадочной проволоки (один из наиболее надежных способов леги­рования), либо введением в покрытие или флюс порош­кообразных металлических добавок или восстановлени­ем из окислов металлов. При этом следует учитывать активность окисления легирующего элемента в зоне сва­рочной ванны. С увеличением активности окисления легирующего элемента в зоне сварки уменьшается его усвоение сварочной ванной. Для оценки поведения того или иного элемента в сварочной ванне необходимо знать его сродство к кислороду (степень активности окисления

элемента кислородом). Активность некоторых широко известных элементов по отношению к кислороду повы­шается в следующем порядке (до температуры 1600°С):

Си — Ni — Со — Fe — W — Мо — Сг — Мп — V —

— Si — Ті — Zr — Al.

Элементы, стоящие левее от железа, при сварке ста­лей будут практически полностью усваиваться сварочной ванной. Вольфрам и молибден, стоящие справа от желе­за, достаточно полно усваиваются сварочной ванной. Большую трудность представляет легирование шва ти­таном и алюминием, так как, чем правее от железа рас­положен элемент, тем быстрее он окисляется.

Вопросы для самопроверки

1 Какие фазы имеются в сварочной дуге?

2. Какие соединения элементов с железом растворимы в жидком металле и как влияет их растворимость на качество сварного соеди­нения?

3. Каким образом можно легировать металл сварного шва?

4. Как влияет сера и фосфор на сварные швы?