13. Взаимодействие расплавленного Ме с находящимся в газовой фазе водородом .

Взаимодействие с* водородом. Источниками водо­рода газовой фазы являются попадающая в зону дуги влага (атмосферная, содержащаяся в электродном покрытии и в ржав­чине Fe(OH)₃, находящаяся на кромках свариваемых деталей и других местах, связанных со сваркой), а также содержащиеся в по­крытии углеводы (целлюлоза (C₆H₁₀O₅)_n, карбоксилметилцеллю-лоза, древесная мука). При высоких температурах сварки превра­тившаяся в водяной пар влага диссоциирует по реакции (5) и реа­гирует с железом, ферросплавами и другими металлами по реакци ям (7) и (9) с образованием водорода, кислорода и оксидов метал­лов. Высокотемпературный распад углеводов тоже сопровождается выделением водорода. Таким образом, в той или иной мерс водо­род присутствует в газовой фазе всегда, при этом он находится в молекулярном и, в большей степени чем азот, в атомарном состоя­ниях (см. рис. 22). При контакте с расплавленным металлом водо­род интенсивно растворяется в нем, подчиняясь зависимости {H}=K_Nкорень P_H/H2^1+α где {H}| — равновесное содержание водорода в металле; P_H/H2 — общее парциальное давление соответственно атомарного и моле­кулярного водорода; а — степень диссоциации водорода при дан­ной температуре; К_H — коэффициент пропорциональности, уве­личивающийся с повышением температуры.

Особенно активно поглощение водорода расплавленным металлом происходит на стадии формирования и переноса через дуговое пространство электродных капель, имеющих более разви­тую поверхность и более высокую температуру разогрева по сравнению с металлом сварочной ванны. При сварке электродами с рутиловым покрытием 50-80% водорода вносится в ванну каплями.

Общий характер изменения растворимости молекулярного водорода в железе от температуры при парциальном давлении P_H2 =0,1 МПа приведен на рис, 23. Он подобен аналогичной зави­симости для азота. При этом максимальная расчетная раствори­мость водорода в железе, равная -42,5 мл/100 г, наблюдается в ин­тервале температур 2400-2500'С.

Па растворимость водорода в жидких сталях влияют содер­жащиеся в них легирующие элементы и кислород. Титан, цирко­ний, ванадий повышают растворимость, а углерод, кремний и алюминий — понижают ее. Однако влияние этих элементов за­метно проявляется лишь при повышенных концентрациях, часто не свойственных углеродистым и низколегированным сталям. Кислород весьма существенно снижает растворимость водорода в жидком железе, углеродистых и низколегированных сталях. Так, с ростом содержания кислорода растворимость водорода и желе­зе при температуре 1610°С убывает с 24.4 мл/100 г при 0,01% 0₂ до 14.8 мл/100 г при 0,1% ()₂. Следует добавить, что титан, крем­ний, марганец и алюминий, раскисляя сталь, могут оказывать ко­свенное влияние на растворимость в ней водорода.

Специфика дуговой сварки, связанная с нагревом металла головной части ванны и капель электродного металла до чрезвы­чайно высоких температур, а также с большой степенью диссоци­ации водорода в зоне дуги, приводит к тому, что при определен­ном, имеющем место на Практике, содержании водорода в газо­вой фазе расплавленный металл насыщается водородом до весь­ма больших концентраций. При охлаждении такого расплава в результате снижения растворимости наступает значительное перенасыщение металла водородом, приводящее к бурному выде­лению последнего в виде пузырьков, что способствует появлению пористости в шве (см. гл. 11).

Часть водорода, не успевшая выделиться из расплава, после кристаллизации остается в металле При этом водород в твердой стали может присутствовать в таких состояниях:

■ диффузионно-подвижный водород — водород, находящийся в твердом растворе внедрения до и сверх пределов раство- i римости. Он способен к диффузионному перемещению в

кристаллической решетке при появлении градиентов кон­центрации, температур, напряжений, растворимости. В не­которых случаях диффузионно-подвижным становится атомарный водород, скопившийся в дефектах решетки (субмикроскопических «ловушках»);

■ остаточный водород — водород, не способный к диффузии в металле. К нему относится молекулярный водород, ско­пившийся в микро- и макронесплошностях.

При определенных условиях, например при сварке высоко­прочных сталей без подогрева, повышенная концентрация диф­фузионного водорода в металле шва может привести к образова­нию холодных трещин в ЗТВ (см. главу 11).

Следовательно, при ручной дуговой сварке в обязательном по­рядке необходимо принимать меры, предупреждающие чрезмерное насыщение расплавленною металла водородом, главным образом за счет исключения возможности попадания в зону сварки влаги в недопустимом количестве. Особенно это относится к сварке ответ­ственных конструкций. Такими мерами являются: прокалка элект­родов перед сваркой, грамотное хранение электродов, очистка сва­риваемых кромок от ржавчины, влаги и других загрязнений.

Снижение концентрации водорода в расплаве также возмож­но путем его связывания непосредственно в газовой фазе. Это осуществляют, например, введением в состав электродного по­крытия плавикового шпата CaF₂, который при образовании шла­ковой фазы активизирует прохождение реакции с обычно содер­жащимся в покрытии кремнеземом Si< >. Связывание и удаление водорода протекает по схеме

2CaF₂+3Si0₂=2CaSi0₃+SiF₄; SiF₄+3H-SiF+3HF.

Фтористый водород HF - химически прочное при высоких температурах и нерастворимое в металле газообразное соедине­ние. Он покидает зону сварки и удаляется в атмосферу.

В сварных швах, полученных при ручной дуговой сварке эле­ктродами с основным покрытием, содержащими плавиковый шпат, концентрация диффузионного водорода не превышает 15 мл/100 г. в особо ответственных сварных соединениях — 5 мл/100 г.

14 .Раскисление металла при сварке — процесс удаления из жидкого металла кислорода, как растворенного в основе сплава, так и находящегося в виде химических соединений с металлом основы и легирующими элементами.

При ручной дуговой сварке удалить кислород из расплавлен­ного металла можно воздействием раскислителей (осаждающее раскисление) или шлаков (диффузионное раскисление). Раскис-лителями являются элементы, которые при температурах процес­са и соответствущей концентрации обладают большим сродством к кислороду, чем элемент — основа сплава. В результате взаимодействия с окисленным металлом рас-кислители могут образовывать газообразные, жидкие и твердые продукты реакции. Эти продукты должны быть нерастворимыми и легко удаляться из сплава. При сварке сталей в качестве рас­кислителей широко используют углерод, алюминий, титан, крем­ний, марганец (в порядке убывания сродства к кислороду). Их вводят в расплавленный металл через проволоку электродных стержней и покрытие.

При осаждающем раскислении протекают следующие реакции:

Реакции (10) и (11) активно идут в капле и головной части ванны, реакции (12) и 13) — в хвостовой части. Газообразный оксид углерода удаляется в атмосферу, оксиды металла — в шлак. С целью более легкого и полного удаления продуктов ре­акции в шлак состав и концентрацию раскислителей подбирают таким образом, чтобы получаемые при раскислении оксиды обра­зовывали комплексные, химически связанные соединения с по­ниженной температурой плавления и повышенной склонностью к коагуляции (примером такого соединения является MnO-SiO₂, температура плавления которого составляет 1285°С, в то время как МпО - 1600°С, и SiO₂ - 1700°С).

При диффузионном раскислении находящийся в расплавлен­ном металле кислород переходит непосредственно в шлак, минуя какие-либо промежуточные реакции. Возможность прохождения такого процесса обусловлена действием закона распределения. В соответствии с ним между концентрациями растворенного кисло­рода в расплаве и в шлаке устанавливается определенное, посто­янное для данной температуры соотношение. При относительно низкой концентрации кислорода в шлаке и относительно высо­кой в металле возможен переход кислорода в шлак. Таким обра­зом, снижая концентрацию кислорода в шлаке, например, путем его раскисления вводимым в электродное покрытие марганцем, можно существенно уменьшить содержание кислорода в наплав­ленном металле. Считается, что одно из основных предназначе­ний вводимых в состав покрытия электродов ферросплавов мар­ганца, кремния и титана является раскисление шлака.