Электрогазосварка. Электросварка. Газосварка

§ 18. Основные реакции в зоне сварки

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 наиболее 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:

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 раскислением 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. Этот процесс можно выразить следующей общей формулой:

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. Такое состояние характеризуется некоторой величиной, называемой константой [2] равновесия К. Эта величина равна:

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 раскислителей 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 — ферромарганец, 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 образовавшиеся окислы элементов — раскислителей в большей своей части остаются в шлаках, покрывающих металл шва, и после сварки удаляются вместе с ними.

Рассмотрим некоторые наиболее типичные реакции раскисления. Раскисление кремнием и марганцем происходит по реакциям:

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 виде ферромарганца.

Реакция раскисления углеродом протекает так:

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 MnO вступают в реакцию с железом сварочной ванны. Эти реакции протекают на границе раздела жидкого шлака и жидкого металла последующей схеме:

/

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:

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 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 достигать 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 низкую, чем сталь. Поэтому при кристаллизации стали сернистое железо остается еще в жидком виде в прослойках между кристаллами сплава и является одной из причин образования горячих трещин при сварке. Серу удаляют введением марганца, который образует с ней химическое соединение — сернистый у марганец (MnS) по реакциям:

Сернистый марганец не растворяется в жидком металле и полностью переходит в шлак.

Удалению серы способствует также окись кальция, при этом происходит реакция

Присутствие фосфора вызывает неоднородность металла шва, рост зерен и снижение пластичности, особенно при низких температурах (хладноломкость). Он присутствует в металле шва в виде фосфидов железа: Fe3P и Fe2P. Удаление фосфора происходит при реакциях:

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 выделиться 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, водород 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 кромок 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.

Атомарный водород может также раскислять металл, например, по реакции

вверх страницы