6.2. Металлургия сварки плавлением

 

Сварка плавлением сопровождается химическими реакциями между расплавленным металлом и окружающей средой [13–16]. При переносе металла с электрода в сварочную ванну капли и пары электродного металла, а также расплавленный металл взаимодействуют с газовой фазой и жидким шлаком. Поэтому химический состав и свойства наплавленного металла могут существенно отличаться от химического состава электродного металла, а сварной шов иметь низкие механические свойства.

Расплавленный металл, взаимодействуя с окружающей средой, поглощает кислород, азот, водород, что существенно сказывается на свойствах металла шва. Азот попадает в зону сварки главным образом из воздуха. Источниками кислорода и водорода является воздух, сварочные материалы (электродные покрытия, флюсы, защитные газы и т. п.), а также окислы, адсорбированная влага и другие загрязнения на поверхности основного и присадочного металла. Кроме того, кислород, водород и азот могут содержаться в избыточном количестве в переплавляемом металле.

Несмотря на различные способы изоляции расплавленного металла от воздуха (электродные покрытия, флюсы, защитные газы и т. п.), исключить полностью его попадание в зону сварки практически невозможно даже при сварке в вакууме.

Воздух, в зависимости от его влажности, может служить также источником водорода, который способствует образованию пор. Влага содержится также в углекислом газе, который является энергичным окислителем, взаимодействуя с металлом.

Источниками кислорода и водорода, кроме воздуха и защитных газов, являются электродные покрытия, флюсы и шихта порошковой проволоки, которые почти всегда содержат в своем составе различные окислы, карбонаты и другие соединения, способные передавать кислород металлу, а также влагу, входящую в структуру минералов в виде молекул. Если гигроскопическую и кристаллизационную воду можно сравнительно легко удалить и соответственно понизить содержание влаги в покрытии и водорода в металле шва путем нагрева электрода перед сваркой до относительно невысокой температуры (200–300 ºС), то для удаления воды из гидроокиси, содержащейся во флюсе, требуется прокалка флюса при температуре 800–900 ºС.

Важным источником выделения газов являются поверхностные загрязнения. Это, прежде всего, поверхностные окислы, которые, растворяясь в металле при его расплавлении и взаимодействуя с ним, способствуют насыщению ванны кислородом. Поверхностные окислы могут быть также поставщиками  водорода. Примером является ржавчина, представляющая собой гидрат окиси железа, разлагающийся при нагреве с выделением паров воды.

Кроме окисной пленки и адсорбированной влаги, на поверхности металла имеются жировые и пылевые загрязнения, включающие органические вещества. Термическое разложение органических веществ приводит к образованию водородосодержащих газов.

Основной и присадочный металл может быть загрязнен газами, которые при его расплавлении могут переходить в металл шва или выделяться в виде газовых пузырьков, являясь причиной пористости.

При контакте расплавленного металла с кислородом газовой или шлаковой фазы происходит растворение кислорода в металле, а при достижении концентрации насыщения – образование отдельной кислой фазы. Одновременно идет окисление примесей и легирующих элементов, содержащихся в металле. В первую очередь окисляются элементы, обладающие большим сродством с кислородом.

Продукты окисления удаляются в шлак, но могут частично затвердевать в металле при его кристаллизации. При охлаждении металла, и особенно при его кристаллизации, возможны вторичные реакции образования окислов вследствие изменения условия равновесия (понижение растворимости кислорода). Такие окислы большей частью остаются в металле в виде неметаллических включений или газовых пузырей. Присутствие кислорода в металле резко ухудшает его механические и технологические свойства.

Азот растворяется в большинстве конструкционных металлов и сплавов. Кроме того, со многими элементами азот образует нитриды.

Наряду с присутствием азота в стали в виде нитридов азот еще способен растворяться в железе, что является причиной образования пор в металле шва. Кроме того, увеличение содержания азота в стали приводит к усилению склонности стали к старению.

Для уменьшения содержания азота в металле шва желательно исключать его из газовой фазы дуги, что достигается сваркой закрытой дугой и сваркой в углекислом газе. Кроме того, уменьшение содержания азота в металле шва достигается введением в металл элементов, имеющих большое сродство с азотом (марганец, титан), за счет которых образуются нитриды, переходящие в шлак.

Водород, подобно кислороду и азоту, поглощается в процессе сварки металлом шва. Источником водорода в газовой фазе при сварке могут служить атмосферная влага, флюс, обмазка электрода, шихта порошковой проволоки, ржавчина и т. д.

Под действием теплоты дуги влага превращается в пары воды, которая повышает концентрацию водорода в газовой фазе. Атомы водорода способны легко диффундировать в кристаллической решетке железа, даже при комнатных температурах, так как по размерам они значительно меньше межатомных расстояний в кристаллической решетке железа.

При охлаждении расплавленного металла в сварочной ванне растворимость уменьшается и водород будет выделяться из кристаллизующего металла. Однако весь водород не успевает выделиться, а оставшиеся атомы водорода приводят к образованию пор в металле. Процесс выделения водорода не прекращается и по окончании кристаллизации металла. В полностью остывшем металле, пересыщенном водородом, происходит его выделение не только во внешнюю среду, но и в микроскопические полости (поры), всегда имеющиеся в твердом металле. Молекулярный водород, накапливаясь в микрополостях, создает в них большое давление, вызывающее появление трещин.

Уменьшение содержания водорода в металле шва может быть достигнуто следующим образом:

– применением для сварки прокаленных толстопокрытых электродов и флюсов;

– тщательной зачисткой свариваемых кромок от ржавчины, окалины и прочих загрязнений;

– предварительным и сопутствующим нагревом детали.

Сера и фосфор являются вредными примесями в сталях. Сера попадает в сварочную ванну из основного металла, сварочной проволоки, покрытия и флюса. Наиболее неблагоприятной формой сернистых соединений в металле шва является FeS, так как сульфид железа в процессе кристаллизации образует с железом эвтектику, имеющую температуру плавления 900 ºС, которая располагается между зернами и является основной причиной возникновения горячих трещин. Поэтому десульфация металла шва является очень важной металлургической операцией и достигается введением в сварочную ванну элементов, имеющих большее сродство к сере, чем железо и образующих соединения с высокой температурой плавления, не растворяющиеся в жидкой стали.

К таким элементам относится марганец, который образует сульфид железа, имеющий температуру плавления около 1650 ºС. Сульфид марганца легко растворим в жидкой стали и образует в ней обособленную фазу, имеющую глобулярную (округлую форму). Такие швы сохраняют стойкость против горячих трещин. Десульфация может быть также осуществлена за счет оксида кальция.

Фосфор в металле шва находится в виде фосфидов железа. Увеличение содержания фосфора в металле шва заметно снижает ударную вязкость, особенно при низких температурах. Удаление фосфора может быть достигнуто путем его окисления и последующего связывания оксида фосфора в прочное химическое соединение, которое удаляется затем в шлак.

При расплавлении сварочного флюса электродного покрытия сердечника порошковой проволоки образуется шлак, основное назначение которого – изоляция расплавленного металла от воздуха. Однако флюсы, покрытия и  т. п. выполняют и другие функции: стабилизируют дугу, способствуют формированию шва, осуществляют металлургическую обработку расплавленного металла, раскисление и легирование.

Сварочные материалы (флюсы, покрытия и т. п.) содержат по ряду причин окислы, карбонаты и другие компоненты, способные окислять металл. Окислительные действия приводят к потере (уменьшение коэффициента перехода) углерода, марганца, кремния, хрома и других элементов. Кроме того, окисление примесей металла сопровождается увеличением содержания кислорода, что понижает механические свойства. Поэтому для удаления кислорода из расплавленного металла используют раскислители (Mn, Si, Al, Ti, Zr).

Окислительные действия компонентов покрытий и флюсов вызвало необходимость применения безокислительных покрытий, не содержащих окислов железа и карбоната, а также безкислородных флюсов на основе плавикового шпата. Такие материалы применяются для сварки ответственных металлоконструкций.