1.8. Основные реакции, протекающие в зоне сварки

Кислород является наиболее вредной примесью, находящейся в зоне горения дуги. Он образует с железом три окисла: закись железа – FeO; окись – Fe₂O₃ и закись-окись – Fe₃O₄.

Когда содержание, кислорода в стали, достигнет 0,035% кислород выделяется в виде закиси-окиси железа, располагаясь по границам зерен, ухудшая временное сопротивление, предел текучести, относительное удлинение, ударную вязкость. Кроме того, кислород снижает сопротивление металла коррозии, делает его хрупким. При сварке легкие окислы Fe₂О₃ и Fe₃O₄ всплывают на поверхность жидкого металла, а закись железа FeO остается в металле. Чтоб избавиться от нее, жидкую ванну раскисляют. В нее добавляют элементы более активные к кислороду, чем железо. Такими могут быть марганец, кремний, алюминий. Они отнимают кислород у закиси железа, образуя легкие окислы, которые всплывают на поверхность жидкой ванны.

2FeO + Si = 2Fe + SiO ₂ шлак

FeO + Mn = Fe + MnO шлак

3FeO + 2Al =3Fe +Al ₂O ₃ шлак

Под действием высоких температур дуги азот частично переходит в атомарное состояние, растворяясь в жидком металле. Он образует нитриды и др. Наличие этих соединений снижает предел выносливости металла. Отрицательно на качество шва влияет также водород, вызывавший водородную хрупкость.

1.9. Зоны термического влияния при сварке

В соответствии с уравнениями 1.14 и 1.15 самая высокая температура металла будет на оси дуги, а затем она уменьшается по параболическому закону при удалении в сторону, перпендикулярную направлению движения электрода.

Ближайшие участки металла нагреваются, образуя зоны термического влияния. На рис. 1.9 схематически показало строение этой зоны с различными структурными превращениями.

В центре дуги металл полностью расплавляется. Первый участок зоны термического влияния следует сразу после закристаллизовавшимся расплавленным металлом. Это участок неполного расплавления. Здесь происходит сращивание основного и наплавленного металлов и образование общих кристаллов.

Участок представляет собой узкую полосу, измеряемую десятыми и сотыми долями миллиметра. Участок перегрева включает в себя металл, нагреваемый до температуры, близкой к температуре плавления. Этот участок характеризуется крупнозернистой структурой. Перегрев снижает прочность и пластичность металла; в сталях с большим содержанием углерода может вызвать образование крупнозернистой структуры с низкими механическими свойствами.

Перегрев особенно опасен для сталей, склонных к образованию закалочных структур. Участок нормализации включает металл, нагреваемый до 900°С и более. При охлаждении в нем происходит перекристаллизация и значительное измельчение зерна, а значит, повышение механических свойств металла.

Рис. 1.9. Зона термического влияния в сварном металле

Участок неполной перекристаллизации включает металл, нагреваемый выше 727°С, но ниже 900°С. Здесь имеются как крупные зерна, не прошедшие перекристаллизацию, так и мелкие.

Участок рекристаллизации включает металл, нагретый в интервале температур 450–727°С.

Рекристаллизация – образование мелких зерен – возможна лишь в том случае, если ранее металл подвергался обработке давлением.

Участок синеломкости образуется при температурах ниже 450°С и обладает более низкой пластичностью и вязкостью.

Вся зона термического влияния при ручной дуговой сварке электродом без покрытия составляет – 2,5 мм, а при сварке электродом с покрытием – 6 мм. При автоматической сварке под флюсом она 2,5 мм.

Таким образом, самый опасный участок перегрева. Для устранения его вредного влияния сварные детали подвергают полному отжигу.