Рассмотрим основные реакции в зоне сварки,
характерные для стали, как наиболее распространенного в промышленности металла.
Особенности процессов, протекающих при сварке других металлов и сплавов,
будут рассматриваться при описании технологии сварки этих сплавов.
При
сварке стали одной из главных задач является получение расплавленного металла,
по возможности свободного от примесей кислорода, азота, водорода и серы.
""Кислород
является наиоолее вредной примесью, так как окисляет расплавленный металл,
образуя химические соединения — окислы.
Если
окислы растворимы в жидком металле, то они поглощаются последним, образуя с
ним при затвердевании твердый раствор. Нерастворимые окислы выделяются из
затвердевшего металла, переходя в шлак. Часть нерастворимых окислов остается
в металле шва в виде включений шарообразной формы (так называемых глобул)
или, располагаясь по границам зерен, нарушает сцепление их между собой.
С
железом кислород образует три окисла:
закись
железа по реакции 2 Fe-+- 02^±2 Fe О; окись железа по реакции 3 Fe + 2 Fe304;
закись-окись железа по реакции 2Fe-f- l,50a^±Fe303.
При
окислении сперва образуется закись железа, которая в дальнейшем при
соответствующих условиях (температуре, соотношении кислорода и железа в
сварочной ванне) может переходить в окись и закись-окись железа. При
окислении железа в процессе сварки основную роль играет закись железа, так
как только она способна растворяться в жидком металле.
Установлено,
что в чистом расплавленном железе может растворяться до 0,22% кислорода в
виде закиси железа, концентрация которой в расплавленном железе может
достигать 0,5%. Содержание кислорода в стали (представляющей сплав железа с
углеродом) будет меньше, так как растворимость закиси железа в сплаве
уменьшается по мере повышения в нем содержания углерода. Когда содержание
кислорода в стали достигнет 0,035%, избыточный кислород будет выделяться из
раствора в виде закиси-окиси железа и располагаться между зернами металла.
Кислород
легко соединяется также с углеродом, марганцем, кремнием и другими
элементами, входящими в состав свариваемого металла, электродов, электродных
покрытий и флюсов, образуя соответствующие окислы этих элементов.
Окисление
элементов при сварке может происходить или в зоне сварочной дуги, где
кислород находится в атомарном состоянии и отличается высокой химической
активностью, или при взаимодействии их с закисью железа (FeO) в ванне
расплавленного металла.
Вследствие
окисления содержание некоторых элементов в металле шва может резко
уменьшаться, что заметно ухудшает его свойства. Так, например, при сварке
голыми электродами количество углерода может уменьшаться в металле шва на
50—60%, а марганца — на 40 —50% по сравнению с их содержанием в электродной
проволоке.
Присутствие
кислорода в металле шва в виде твердого раствора или включений окислов, в
первую очередь сказывается на ухудшении механических свойств наплавленного
металла: понижаются пределы прочности и текучести, относительное удлинение,
ударная вязкость. Кроме того, кислород вредно влияет и на другие свойства
металла — снижает стойкость его против коррозии, повышает склонность к старению,
делает металл хладноломким и красноломким.
Таким
образом, главным .условием получения наплавленного металла высокого качества
является защита его от окисления кислородом окружающей среды. Это
достигается, во-первых, созданием вокруг расплавленного металла защитной
среды из газов и шлаков. Однако полностью защитить металл от окисления не
удается. Поэтому вторым средством для решения указанной задачи является
удаление кислорода из наплавленного металла с помощью химических элементов,
обладающих большим сродством к кислороду, чем железо, и образующих окислы,
менее растворимые в жидком металле, чем FeO. Этот процесс называется раскисл
ением и играет очень важную роль при сварке, так как обеспечивает получение
чистого, высококачественного металла шва. Благодаря раскислению, а также
надежной защите жидкого металла газами и шлаком, образуемыми при расплавлении
покрытия электрода и флюса, содержание кислорода в металле шва очень невелико
и практически составляет 0,005—0,057 %. В электродной проволоке содержание
кислорода не превышает 0,01%. Реакции окисления и раскисления обусловлены
одним и тем же химическим процессом, но протекающим лишь в противоположных
направлениях.
Стрелками
указано направление реакции: вправо — окисление, влево — раскисление
(восстановление металла из окисла). При определенных соотношениях металла и
кислорода вся система может находиться в состоянии химического равновесия при
данной температуре и давлении, т. е. процессы окисления или восстановления
протекать не будут. Тогда в данном объеме вещества будут находиться как
чистый металл, так и его окисел.
Берутся
весовые проценты концентраций взаимодействующих веществ. Числитель
представляет собой произведение концентраций веществ, вступающих в реакцию, а
знаменатель — концентрацию продуктов реакции. Для каждого вещества значения
К, соответствующие равновесному состоянию системы при различных давлениях и
температурах, определены опытным путем и даются в виде таблиц или графиков.
Чем больше действительная величина К отличается от равновесной, вычисленной
для той же температуры и давления, тем больше будет скорость реакции. Если
отношение концентраций веществ в правой части формулы больше равновесного
значения К, то реакция пойдет вправо и произойдет окисление элемента Me. При
обратном соотношении процесс идет влево и происходит раскисление
(восстановление элемента Me из окисла). С повышением температуры скорость
этих реакций возрастает.
Если
взаимодействовать с кислородом могут несколько элементов, как это имеет место
в сварочной ванне, то в первую очередь окислению подвергаются те элементы,
которое обладают наибольшим химическим сродством к кислороду. По мере
окисления этих элементов концентрация их в зоне реакции уменьшается и скорость
окисления замедляется; тогда начинают более интенсивно окисляться другие
элементы, обладающие меньшим сродством к кислороду. Постепенно процесс
окисления охватывает все новые и новые элементы и протекает до тех пор, пока
концентрация всех элементов в жидком металле не будет соответствовать,
равновесной. То же имеет место и при обратном процессе—раскислении.
Если
элементы, наиболее часто применяемые в качестве рас- кислителей при сварке,
расположить по признаку уменьшения их химической активности к кислороду, то
получим следующий ряд: алюминий (обладает наибольшим сродством к кислороду),
титан, ванадий, кремний, углерод, марганец и хром.
Эти
элементы поступают в сварочную ванну из присадочного металла, покрытия
электрода или флюса и вступают в химическое взаимодействие с окислами
металла. В качестве веществ, содержащих раскислители, применяют ферросплавы —
фэрромарганец, ферросилиций, ферротитан и др.
Ферросплавы
вводятся в состав электродного покрытия или флюса и при их расплавлении почти
полностью переходят в шлак. При этом входящие в них элементы окисляются,
отнимая кислород у окислов железа. Вновь образовав лиеся окислы элементов —
раскис- лителей в большей своей части остаются в шлаках, покрывающих металл
шва, и после сварки удаляются вместе с ними.
Образующиеся
при этом окись кремния и закись марганца плохо растворимы в жидком металле и
переходят в шлак. Закиси железа и марганца по своим химическим свойствам
являются основаниями и могут вступать в реакцию с кислотными окислами, образуя
соединения типа 2FeO- SiOa; 2MnO- Si02 (силикаты) и 2FeO • TiOa (титанаты).
Эти соединения почти не растворимы в жидком металле и полностью остаются в
слое шлака.
Окислы
по своим химическим свойствам могут быть кислые и основные. К кислым окислам
относятся окись кремни ч (StOg) и двуокись титана (TiOj). К основным окислам
относятся окись кальция (СаО), закись железа (FeO), закись марганца (МпО),
окись натрия (NaaO), окись калия (К20) и окись магния (MgO).
Если в
шлаках, образующихся при сварке, преобладают кислые окислы, то такие шлаки, а
также образующие их покрытия и флюсы называются кислыми. Преобладание в шлаке
основных окислов, наоборот, придает ему химические свойства основания.
Соответственно, электродные покрытия и флюсы, дающие основные шлаки,
называются основными.
При
сварке электродами с кислыми покрытиями процесс раскисления протекает также
за счет углерода, содержащегося в металле сварочной ванны и ферросплавах,
вводимых в покрытие обычно в ввде ферромарганца. Образовавшаяся газообразная
окись углерода (СО) не растворяется в жидком металле и выделяется из него в
атмосферу, что вызывает сильное кипение сварочной ванны. Поэтому кислые
покрытия иногда называют кипящими.
При
высоких температурах сварочной ванны, содержащиеся в шлаках окись кремния
Si02 и закись марганца МпО вступают в реакцию с железом сварочной ванны.
С
повышением температуры сварочной ванны скорость и полнота протекания этих
реакций увеличиваются. Как видно из схемы, образующаяся закись железа FeO
растворяется в жидком металле. При последующем остывании металла шва
находящаяся в нем закись железа вступает в реакцию с другими элементами,
содержащимися в расплавленном металле, такими, как Si, Сг, Мп, образуя чистое
железо и окислы этих элементов, которые могут оставаться в металле шва.
Поэтому при сварке сталей, содержащих повышенное количество кремния, хрома и
марганца, не рекомендуется пользоваться покрытиями или флюсами с высоким
содержанием окислов кремния и марганца, так как при этом увеличивается
содержание кислорода в металле шва, снижающего его ударную вязкость. Основные
электродные покрытия и флюсы дают и основные шлаки, содержащие
преимущественно окись кальция (СаО), которая не отнимает кислород от окислов
металлов. Поэтому в покрытия основного типа для раскисления наплавленного
металла вводятся ферросплавы! ферросилиций или ферротитан. В электродных
покрытиях этого типа основными реакциями раскисления будут: раскисление
кремнием 2 FeO -f- Si Si02 -f- 2 Fe; раскисление титаном 2 FeO -f- Ti ^ТЮ2-[-
2 Fe.
Эти
реакции протекают без газообразования и сварочная ванна остается спокойной.
Поэтому покрытия основного характера называют также спокойными. Основные
электродные покрытия дают наплавленный металл с высокими механическими
свойствами.
В
результате происходящих в сварочной ванне реакций раскисления содержание
кремния и марганца в металле шва несколько увеличивается, например кремния до
0,1—0,3%, марганца до 0,7—1% и более.
Выше
указывалось, что алюминий обладает большим сродством к кислороду. Однако
окись алюминия (А1203) не растворима в жидком металле и медленно переходит в
шлак. Кроме того, алюминий способствует окислению углерода, что вызывает
пористость шва. По этим причинам алюминий как раскислитель при сварке стали
почти не применяется.
Углерод
в тех концентрациях, какие встречаются в сварных швах стали, является менее
активным раскислителем, чем кремний. С кислородом окислов углерод
взаимодействует, главным образом, в момент расплавления электрода и только в
зоне наиболее высоких температур сварочной ванны. Раскисление же марганцем и
кремнием происходит при более низких температурах и протекает вплоть до
начала кристаллизации металла шва.
Если
кремния в металле шва недостаточно, то раскисление может происходить
преимущественно за счет углерода с образованием СО, избыточное количество
которой не успевает выделиться из твердеющего металла и остается в нем,
образуя газовые поры. Поэтому для получения плотного беспористого шва
необходимо подавлять реакцию окисления углерода повышением содержания кремния
в металле сварочной ванны до 0,2—0,3%. При понижении содержания кремния в
металле шва до 0,12% и ниже неизбежно образование большого количества пор.
Азот
поглощается расплавленным металлом из окружающего воздуха. Под действием
высоких температур сварочной дуги азот частично переходит в атомарное
состояние и растворяется в жидком металле. В процессе охлаждения азот
выделяется из раствора и, взаимодействуя с металлом и его окислами, образует
химические соединения, называемые нитридами — Fe2N; Fe4N; MnN; SiN. Нитриды в
стали повышают ее прочность и твердость, но сильно уменьшают пластичность.
Поэтому азот является вредной примесью в наплавленном металле.
^Наибольшее
насыщение металла азотом дает дуговая сварка длинной дугой и голыми
электродами, наименьшее — газовая. При сварке непокрытыми электродами
содержание азота в металле шва может достигат-ь 0,12—0,2%.. -С увеличением
тока содержание азота в наплавленном металле уменьшается. Увеличение
содержания углерода и особенно марганца в присадочной проволоке или покрытии
электрода значительно снижает содержание азота в наплавленном металле. При
сварке электродами с качественными покрытиями содержание азота в металле
незначительно и составляет всего 0,005— 0,015%.
Сера
является вредной примесью в стали. Она образует сернистое железо (сульфид
железа FeS), которое имеет температуру плавления 1193°, т. е. более нйзкую,
чем сталь. Поэтому при кристаллизации стали сернистое железо остается еще в
жидком ввде в прослойках между кристаллами сплава и является одной из причин
образования горячих трещин при сварке.
Сернистый
марганец не растворяется в жидком металле и полностью переходит в шлак.
Получаемые
соединения фосфора переходят в шлак. Основные шлаки лучше удаляют фосфор из
металла, чем кислые.
Водород
является вредной примесью в стали. При температуре дуги водород диссоциирует
на атомы и, находясь в атомарном состоянии, способен хорошо растворяться в
наплавленном металле.
При
остывании и затвердевании металла атомы водорода вновь соединяются в
молекулы, которые собираются в отдельных местах шва, образуя газовые
пузырьки. Водород не всегда успевает полностью ыделиться из металла и
вызывает появление в нем пористости и мелких трещин, так называемых флокенов.
Сталь с флокенами является хрупкой, в изломе флокены имеют вид светлых пятен
и не выявляются обычно применяемыми методами контроля качества швов без
разрушения.
По мере
увеличения температуры металла растворимость водорода увеличивается, достигая
наибольшей степени при 2400°. Насыщение металла водородом происходит в
основном в момент переноса капель металла в дуге. В 100 г металла может раствориться до 43 см3 водорода. При содержании водорода до 6,5 смъ на 100 г металла шов получается плотным; при более высоком насыщении металла водородом появляются
пористость, флокены, снижается пластичность, металл становится хрупким в
холодном состоянии.
Источником
насыщения металла водородом является влага, содержащаяся в электродном
покрытии, флюсах и окружающем воздухе или находящаяся на поверхности
свариваемого металла в виде воды, снега, инея. Кроме того, вЪдород содержится
в ржавчине, которая может быть на сварочной проволоке или кромках металла.
Наименее металл насыщается водородом при сварке на постоянном токе обратной
полярности, наиболее — при сварке на переменном токе. Это обусловлено тем,
что при сварке на переменном токе в момент перехода тока через нулевое
значение жидкий металл не защищен действием электрического поля дуги и
доступен для растворения в нем атомов водорода, несущих отрицательный заряд
электричества.
Чтобы
предотвратить насыщение металла водородом при сварке стали необходимо
следующее:
1. Обеспечить
минимальное содержание влаги в покрытии и флюсах, в окружающей шов атмосфере
и на кромках металла. С этой целью применяемые для сварки электроды следует
тщательно просушивать путем прокалки. Для покрытий основного типа (УОНИ и др.
см. § 2 гл. VI) прокалку ведут при 350° в течение 5 час. Хранить электроды
следует в сухом месте, а при их увлажнении вновь подвергать прокалке перед
выдачей сварщику. Желательно, чтобы сварщики при работе на открытом воздухе
имели герметически закрывающиеся футляры для хранения электродов. При работе
под дождем и снегом места сварки должны быть надежно защищены от попадания
влаги палатками из брезента, фанеры и других материалов.
Перед
сваркой необходимо тщательно протирать и просушивать кромки металла, не
оставляя на,них влаги.
При
сварке труб концы их нужно закрывать деревянными пробками, чтобы не допустить
циркуляции влажного воздуха внутри трубы и подсоса его из трубы в шов.
2. Использовать
проволоку без ржавчины и удалять ее с крс- мок свариваемого металла.
3. Стараться
не применять многопроходных швов при автоматической сварке под флюсом, так
как при наложении последующих слоев водород насыщает нижележащие слои в
момент их расплавления.
|