МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ СВАРКЕ

Взаимодействие расплавленного металла с газами

Условия протекания металлургических процессов. При всех способах сварки плавлением в сварочной ванне происходят те же процессы, что и в металлургических печах при выплавке металлов и их сплавов. Это плавление, взаимодействие жидкого металла с газами и компонентами шлаков, легирование металла и выгорание (испарение, окисление) легирующих компонентов, затвердевание металла, структурные изменения в нем.

Однако при сварке эти процессы протекают в особенно жестких условиях. Массы нагреваемого и расплавляемого металла при сварке малы: граммы при лучевых способах сварки или килограммы при электрошлаковой сварке по сравнению с тоннами в мартеновской печи. Средняя температура капли электродного металла 2300 °С, сварочной ванны — более 1600 °С.

Металл нагревается неравномерно — от температуры кипения в центре ванны до температуры плавления на ее периферии. Такая разность температур вызывает конвективные потоки в жидком металле. Химические реакции в этих условиях протекают с большой скоростью, особенно на границах между металлом и газом, жидким шлаком и газом, металлом и шлаком. Нагрев и охлаждение металла при сварке происходят очень быстро, поэтому среднее время протекания химических реакций составляет 0,001-1,5 с. За это время реакции не успевают дойти до равновесного состояния. Химический состав металла шва формируется окончательно только после его затвердевания.

Окисление металла шва. При сварке плавлением газы поступают в металл шва из воздуха, из основного и присадочного металла, где они содержатся в растворенном состоянии и в виде поверхностных пленок, из примесей в защитной атмосфере, из влаги и оксидов — компонентов флюса или электродного покрытия. Растворяются в основном азот и водород. Инертные газы в металлах не растворяются.

Кислород, попадая в металл шва, окисляет его. С железом кислород образует три оксида. Первый получают при непосредственном окислении железа:

2Fe + О₂ = 2FeO.

Этот оксид называется вюстит. Температура его плавления 1370 °С. Он хорошо растворяется в жидком железе. Однако его растворимость зависит от температуры, поэтому при охлаждении сварочной ванны FeO выпадает из раствора по границам зерен затвердевающего металла как более легкоплавкий компонент. Соединяясь с кислородом, FeO образует окалину:

6FeO + О₂ = 2Fe₃O₄.

В железе окалина не растворяется. Выпавший по границам зерен оксид FeO при охлаждении ниже температуры 570 °С может преобразовываться в окалину в виде глобулей (шариков):

4FeO Fe₃O₄ + Fe.

Это нарушает связь между зернами, металл шва становится хрупким. Из окалины при последующем окислении образуется оксид железа:

4Fe₃O₄ + О₂ = 6Fe₂O₃.

В железе Fe₂O₃ не растворяется. С водой образует ржавчину (гидрат): Fe₂O₃ • ЗН₂О. При нагреве гидратная влага, разлагаясь, увеличивает количество газов в сварном шве и может вызвать пористость.

Другие металлы, соединяясь с кислородом, образуют оксиды:

2Ni + О₂= 2NiO; 2Cu + О₂ = 2CuO; 4Cu + О₂ = 2Cli₂O;

Ті + О₂ = ТіО₂; 4А1 + ЗО₂ = 2А1₂О₃.

Оксид алюминия А1₂О, имеет температуру плавления 2050 °С и плотность 3,77—4,0 г/см³. Этот тугоплавкий оксид создает главную трудность при сварке алюминия. При температуре сварки он не расплавляется, затрудняя образование сварочной ванны. Мелкие частички его образуют в металле шва включения оксидных пленок.

Кислород засоряет шов оксидами легирующих элементов: 2Mn + О₂ = 2MnO; Si + О₂ = SiO₂.

Кислород ухудшает механические свойства сварных швов, понижает их коррозионную стойкость, ухудшает электрические и магнитные свойства.

Раскисление металла шва. Уменьшить содержание кислорода в металле шва можно путем раскисления. Различают два способа раскисления: осаждением и диффузионное.

При раскислении осаждением железо восстанавливают из растворенной закиси железа элементами, обладающими более высоким химическим сродством к кислороду и дающими оксид, слабо растворимый в железе (Al, Ni, Si, Мп, Cr, С). Эти элементы вводят через флюс либо электродное покрытие в виде порошков или ферросплавов.

Если обозначить вещества, находящиеся в металлическом расплаве, квадратными скобками, а в шлаке — круглыми, то типовая реакция раскисления осаждением будет иметь следующий вид:

[FeO] + (Me) -> [Fe] + (МеО).

Новый оксид всплывает и переходит в шлак.

Диффузионное раскисление — это направленная диффузия оксида из жидкого металла в шлак. Она основана на законе Нернста, согласно которому соотношение концентраций какого-либо вещества в двух несмешивающихся растворителях — величина постоянная:

(МеО) / [МеО] = const.

Если в шлак добавить раскислитель или разбавить его нейтральным компонентом, концентрация МеО в шлаке уменьшится и начнется диффузия этого оксида из металла сварочной ванны в шлак.

Влияние азота. Азот образует с металлами химические соединения — нитриды:

8Fe + N₂ = 2Fe₄N; 4Fe + N₂ = 2Fe₂N.

Медь — исключение. Она не реагирует с азотом, ее можно сваривать в азоте, как в инертном газе.

С титаном азот реагирует бурно, реакция похожа на горение: 2Ti + N₂ = 2TiN; 6Ti + N₂ = 2Ti₃N.

Растворимость азота в железе уменьшается с понижением температуры.

При охлаждении сварочной ванны азот, выделяясь из металла, может образовывать поры. Нитриды железа растворяются в железе, упрочняя его, но при этом резко уменьшается пластичность металла. Азот повышает хрупкость металла шва, ухудшает магнитные свойства сталей, увеличивает их электросопротивление и чувствительность к термообработке.

Содержание азота в металле или его вредное влияние можно уменьшить введением в зону сварки элементов (например, Al, Zr, Ті), образующих с азотом нерастворимые в жидком металле нитриды, выходящие из металла в шлак или лишь незначительно ухудшающие его свойства. Например, алюминий, применяемый для раскисления железа, образует всплывающий из металла в шлак нитрид:

Al + N = A1N.

Влияние водорода. Водород активно растворяется при высокой температуре в большинстве металлов, применяемых для изготовления сварных конструкций. Однако с понижением температуры растворимость его резко уменьшается, водород начинает выделяться из жидкого металла, образуя поры.

Особенно склонен к водородной пористости алюминий. Его оксид А1₂О₃ образует в металле шва включения, на твердой поверхности которых легко образуются пузырьки водорода.

При сварке металл шва затвердевает быстро. Образующийся избыток водорода продолжает выделяться из твердого раствора. Скапливаясь в рыхлотах, микропустотах внутри металла, атомарный водород образует молекулы. При этом увеличивается его объем, а внутри микропустот — давление: в металле появляются напряжения. В результате металл становит ся хрупким, могут возникать трещины даже через несколько дней после сварки. В малых количествах водород может быть полезен как раскислитель. В целом в зоне сварки он вреден. Водород можно удалить из сварочной ванны, связывая его в нерастворимые соединения, например фтором:

[Н] + (F) = (HF).

Фторид водорода выделяется из жидкого металла сварочной ванны.

Лучший способ уменьшить количество газов в металле шва — не допустить их в зону сварки. Для этого следует улучшать ее защиту от воздуха, просушивать и прокаливать сварочные материалы, зачищать металл от ржавчины, в рыхлотах которой хорошо держится влага.

При дуговой сварке молекулы водорода и азота, нагреваясь, диссоциируют в атмосфере дуги на атомы, часть которых образует положительные ионы. Эти ионы интенсивно притягиваются к катоду и внедряются в него — происходит электрическое поглощение газов металлом. Поэтому дуговую сварку ответственных деталей лучше вести неплавящимся электродом на постоянном токе прямой полярности: в сварочную ванну будет попадать меньше газов.