ЗАО "Сварочные технологии"

Возникновение пор (газовых пузырей) в шве связано с выделением водорода или азота либо окиси углерода из металла в момент его затвердевания.

Водород может попадать в зону сварки вместе с маслом и ржавчиной, находящимися на поверхности электродной проволоки и на кромках свариваемого металла при плохой их очистке, а также при использовании влажного флюса или влажного защитного газа при сварке на открытом влажном воздухе.

Азот может попадать в зону сварки при плохой ее защите от воздуха; вместе с защитным газом (аргоном, углекислым газом); вследствие подсоса воздуха через зазоры между свариваемыми кромками, а также вместе с воздухом, находящимся между зернами флюса. При этом чем более крупные зерна имеет флюс (меньше его насыпной вес), тем больше азота и кислорода попадает в зону сварки.

Растворимость водорода и азота в жидком металле весьма велика и неуклонно возрастает с повышением температуры до 2380°С для водорода и до 2200°С для азота. Растворяясь в жидком металле (особенно в каплях при их переносе через дуговой промежуток), водород и азот попадают в сварочную ванну и при последующем ее остывании (до момента затвердевания металла) лишь в небольшом количестве выделяются из нее.

При затвердевании металла растворимость в нем водорода и азота скачкообразно падает (рис. 32), и избыток их выделяется в виде пузырьков. Вследствие быстрого затвердевания металла пузырьки газа не успевают полностью выделиться в атмосферу и остаются в шве в виде продолговатых пор.

(рис. 32) Растворимость водорода и азота в жидком и твердом железе в зависимости от температуры

Чем больше водорода или азота попадает в зону сварки, тем больше их растворяется в жидком металле и тем большая вероятность образования пор в шве. При неизменном количестве растворенного в ванне водорода или азота увеличение времени пребывания металла ванны в жидком состоянии (уменьшение скорости кристаллизации) способствует дегазации жидкого металла и уменьшает вероятность образования пор в шве. Благодаря этому, например, при электрошлаковой сварке поры в шве не образуются.

На удаление газов из сварочной ванны оказывает влияние и ее форма: из мелкой и широкой ванны газы удаляются легче, чем из глубокой и узкой.

Увеличение скорости дуговой сварки и уменьшение сварочного тока (уменьшение погонной энергии сварки), равно как и понижение температуры свариваемого металла, наоборот, приводят к увеличению скорости кристаллизации и повышению склонности шва к образованию пор.

С увеличением напряжения дуги при сварке под флюсом и в углекислом газе повышается содержание азота в шве и вероятность образования в нем пор. Так, например, при сварке в углекислом газе стыковых соединений из СтЗ проволокой Св-08Г2С диаметром 2 мм увеличение напряжения дуги более 40 В при токе 360—380 А приводит к образованию пор в металле шва (табл. 6).

Таблица 6. Влияние напряжения дуги на содержание азота и образование пор в шве при сварке в углекислом газе

Растворение водорода в металле при дуговой сварке и связанная с этим пористость шва зависят также от рода сварочного тока. Так, при сварке на переменном токе при прочих равных условиях растворение водорода и пористость шва максимальные, при сварке на постоянном токе прямой полярности (минус на электроде) — значительно меньше, а при обратной полярности — минимальные.

Считают, что водород растворяется в жидком металле в виде положительно заряженных ионов (протонов), образующихся при отрыве электрона от атома. Поэтому при сварке на постоянном токе избыток электронов вблизи катода и анода препятствует ионизации водорода, уменьшая тем самым растворение его как в капле на конце электрода, так и в сварочной ванне. При сварке переменным током в момент перехода тока через нулевое значение вблизи жидкого металла электронов скапливается меньше, в силу чего возрастает количество протонов водорода в при электродных областях и жидкий металл оказывается ничем не защищенным от растворения в нем водорода.

Чтобы водород не попадал в сварочную ванну, кромки свариваемого металла и поверхность электродной проволоки тщательно очищают от ржавчины и масла, а флюс перед употреблением прокаливают при температуре 800—900°С. Однако и в этом случае в производственных условиях не удается полностью избежать попадания водорода в зону сварки.

Поэтому водород в зоне дуги связывают в химические соединения, нерастворимые в жидком металле. Для этого в сварочные флюсы вводят плавиковый шпат (CaF2) и кремнезем (SiO2). При этом в зоне сварки протекают следующие реакции:

2CaF₂ + 3SiO₂ = SiF₄ + 2CaSiO₃, (28)

SiF₄ + 2H₂O ↔ SiO₂ + 4HF, (29)

SiF₄ + 3H ↔ SiF + 3HF, (30)

CaF₂ + H ↔ CaF + HF. (31)

Образующееся соединение HF нерастворимо в жидком металле, поэтому содержание водорода в металле шва и его склонность к порам уменьшаются. Следует отметить, что присутствие во флюсе CaF₂ без SiO₂ мало эффективно.

С увеличением влажности углекислого газа неуклонно возрастает содержание водорода в металле шва:

Влажность углекислого газа, г/м³ - 0,85; 1,35; 1,92; 15,00;

Содержание водорода в металле шва, мг/100 г - 2,0; 4,5; 4,7; 5,5.

При влажности газа 1,92 г/м³ и содержании водорода 4,7 мг/100 г в металле шва, выполненного на углеродистых конструкционных сталях, начинают появляться единичные поры. При дальнейшем повышении влажности углекислого газа количество пор в швах увеличивается.

При сварке аустенитных сталей с увеличением влажности углекислого газа значительно повышается содержание водорода (на 30—40%) в металле шва. Однако возможность образования пор в этих швах меньше, чем в швах, выполненных на ферритных и перлитных сталях.

Для получения плотных швов в защитном углекислом газе должно быть не более 0,05% растворенной воды и вовсе не должно быть азота. Шов металла, выполненный дуговой сваркой в среде обезвоженного углекислого газа, значительно меньше склонен к образованию пор, вызываемых влагой (ржавчиной), чем при сварке под флюсами марок ОСЦ-45 и АН-348А (табл. 7).

Таблица 7. Склонность швов, свариваемых под флюсом и в обезвоженном углекислом газе, к образованию пор, вызываемых ржавчиной

Значительная концентрация углекислого газа и атомарного кислорода в зоне дуги тормозит реакцию диссоциации (разложения) влаги и снижает количество свободного водорода за счет реакций, приводящих к образованию паров воды (Н₂О) и гидроксила (ОН), нерастворимых в жидком металле:

СO₂ + 2Н ↔ СО + Н₂O, (32)

СO₂ + Н ↔ СО + ОН, (33)

О + 2Н ↔ Н₂O, (34)

О + Н ↔ ОН. (35)

В результате этого количество растворенного водорода в сварочной ванне и возможность образования пор в металле шва уменьшаются.

Кроме того, при сварке в углекислом газе значительная часть влаги, содержащаяся в ржавчине, испаряется и оттесняется из зоны сварки потоком защитного газа.

Нормальная подача углекислого газа обеспечивает лучшую защиту зоны сварки от попадания воздуха по сравнению с крупнозернистым флюсом. В связи с этим содержание азота в швах, выполненных в углекислом газе, будет несколько меньше, чем в швах, выполняемых вручную и под флюсом.

Таким образом, швы, сваренные в углекислом газе, содержат меньше водорода и азота, чем швы, выполненные под флюсом и ручными электродами (табл. 8).

Таблица 8. Содержание газов в металле швов, выполненных вручную, под флюсом и в углекислом газе

При недостаточном содержании в сварочной ванне кремния и марганца образуются поры в металле шва даже в том случае, если в зоне сварки отсутствуют азот и водород. Образование таких пор связано с выгоранием углерода и выделением его окиси из металла во время кристаллизации:

С_(ж) + FeO_(ж) = СО_(г) + Fe_(ж). (36)

Концентрация закиси железа при сварке в углекислом газе может возрастать в процессе нагрева металла за счет восстановления кремния и марганца из их окислов, находящихся в основном и электродном металлах в виде включений:

SiО_2(ж) + 2Fe_(ж) ↔ 2FeO_(ж) + Si_(ж), (37)

МnО_(ж) + Fe_(ж) ↔ FeO_(ж) + Мn_(ж). (38)

В процессе кристаллизации металл кипит вследствие бурного выделения окиси углерода, в результате чего в нем образуются поры.

Чтобы предотвратить образование таких пор, необходимо подавить реакцию окисления углерода в металле сварочной ванны в момент его кристаллизации. Для этого в сварочной ванне к моменту начала и завершения процесса кристаллизации должно быть достаточное количество кремния и марганца. В этом случае вместо реакции (37) будут протекать реакции раскисления металла кремнием и марганцем — реакции (25) и (26). Практика показывает, что при конечном содержании кремния в металле шва не менее 0,17% в нем отсутствуют поры, вызываемые окисью углерода.

Следует, однако, отметить, что при сварке в окислительной защитной среде (флюс, углекислый газ) и при оптимальном содержании раскислителей в сварочной ванне окисление углерода в зоне сварки при высоких температурах и выделение окиси углерода из жидкого металла сварочной ванны до его кристаллизации может даже уменьшить вероятность образования пор, вызываемых азотом и водородом, так как вместе с пузырьками окиси углерода из жидкого металла сварочной ванны удаляются азот и водород.

Наличие раскислителей успокаивает ванну к началу кристаллизации, и шов получается достаточно плотным.

Однако к описанному методу прибегают лишь в отдельных случаях и при этом рассчитывают, чтобы содержание углерода в металле шва не превышало пределов, допустимых с точки зрения стойкости сварных швов против образования горячих трещин. Необходимо также иметь в виду, что при чрезмерном увеличении содержания углерода в сварочной ванне (например, при сварке высокоуглеродистых конструкционных сталей с содержанием 0,40% С и более) возможность образования пор в швах может возрастать при режимах сварки, обусловливающих минимальное время пребывания металла ванны в жидком состоянии (сварка тонкой проволокой толстого металла с узкой разделкой кромок на малых режимах).

В этом случае повышение в ванне содержания раскислителей Si, Мn, Ti и др. (с целью подавления реакции окисления углерода в момент кристаллизации металла) сопровождается связыванием, находящегося в зоне сварки кислорода, вследствие чего уменьшается возможность связывания кислородом водорода. При этом предотвращается возможность появления в шве пор, вызываемых окисью углерода, но образуются поры в результате повышенного растворения в ванне и последующего выделения водорода. Кроме того, в шве оказывается повышенное количество углерода, что в сочетании с повышенным содержанием водорода и пористостью вызывает хрупкость металла.

Чтобы при сварке таких сталей в швах не появлялось пор, необходимо пользоваться чистым (обезвоженным) углекислым газом и проволокой, содержащей повышенное количество раскислителей, а также применять режимы и технику сварки, обеспечивающие достаточно широкую и мелкую сварочную ванну, т. е. режимы, увеличивающие время пребывания металла ванны в жидком состоянии для его дегазации. Шов при этом получается весьма прочным, с пониженной пластичностью благодаря повышенному содержанию углерода. Более пластичный шов (с меньшим содержанием углерода) без пор в данном случае образуется при использовании для сварки смеси углекислого газа с 8—12% кислорода, кремнемарганцевистой проволоки и режимов, обеспечивающих дегазацию металла ванны до начала его кристаллизации.

При сварке высокоуглеродистых сталей в обезвоженном углекислом газе (без добавки кислорода) проволокой диаметром до 2 мм на мощных режимах при умеренной скорости сварки поры в швах не образуются благодаря хорошей дегазации жидкого металла.