ЗАО "Сварочные технологии"

К металлургическим процессам при сварке относятся процессы взаимодействия жидкого металла с газами и сварочными шлаками, а также взаимодействия затвердевающего металла с жидким шлаком.

При сварке открытой дугой непокрытыми или тонко покрытыми (с меловым покрытием) электродами расплавленный металл не защищен от воздействия воздуха и поэтому интенсивно насыщается азотом и кислородом. Эти газы, растворенные в металле в большом количестве, сильно ухудшают механические свойства шва.

Для защиты металла электродных капель и сварочной ванны от воздействия воздуха при ручной сварке применяют шлако- и газообразующие покрытия, а при автоматической и полуавтоматической дуговой сварке - сварочные флюсы или защитные газы. Чистые металлы сваривают в вакууме.

Сварочные флюсы и защитные газы могут быть нейтральными, т. е. не вступающими в химическое взаимодействие с жидким металлом, или активными, т. е. химически взаимодействующими с жидким металлом.

К числу нейтральных флюсов относятся флюсы, состоящие в основном из плавикового шпата (АНФ-5, АНФ-6, АНФ-14 и др.). Эти флюсы содержат незначительное количество кремнезема и закиси марганца, слабо окисляют жидкий металл и поэтому называются бескислородными. Их также называют фторидными. Они предназначены для сварки аустенитных сталей. К их недостаткам следует отнести худшее формирование шва по сравнению со швами, выполняемыми под флюсами АН-26 и АН-18.

К нейтральным защитным газам относятся аргон и гелий.

Наиболее распространенными активными сварочными флюсами являются кислые или марганцевые высококремнистые флюсы марок АН-348А и ОСЦ-45.

Кроме них, при сварке применяют несколько марок флюсов средней активности или так называемые основные флюсы. К последним относятся, например, АН-14, АН-26 и др., предназначенные для сварки нержавеющих сталей. Благодаря меньшему содержанию кремнезема в последних сварочная ванна в меньшей степени насыщается кремнием. Однако в отдельных случаях (например, при сварке некоторых чистоаустенитных, а также мартенситных сталей) необходимо исключить насыщение металла шва кремнием и одновременно ввести в него некоторое количество кислорода. Для этой цели в Институте электросварки им. Е. О. Патона разработаны и находят все возрастающее применение в Советском Союзе окислительные низкокремнистые флюсы марок ЛН-17 и АН-18. Первый из них предназначен для сварки низколегированных термоупрочненных и высокохромистых мартенситных и мартенситноферритных сталей, а второй - для сварки некоторых марок однофазных аустенитных коррозионностойких сталей при необходимости получить шов, стойкий против образования горячих трещин при сохранении чистоаустенитной его структуры.

Самостоятельную группу составляют флюсы, применяемые для сварки алюминия и его сплавов.

Деление флюсов (шлаков) на кислые и основные обусловлено тем, что в их составе могут преобладать кислые окислы (SiO2, ТiО2) или основные (FeO, MnO, CaO, Na20, R2O). В состав флюсов иногда входят амфотерные окислы (Fe2O3, А12O3, Сг2O3), которые в зависимости от условий могут быть или основными, или кислыми.

Весовое соотношение между кислыми и основными окислами в составе данного флюса (шлака) определяет его кислотность. При величине отношения суммы кислых окислов к сумме основных окислов большей единицы флюс (шлак) называется кислым, а при отношении меньше единицы флюс (шлак) называется основным.

Степень кислотности является важной характеристикой флюса, так как она в значительной мере определяет поведение шлака при сварке.

Свойства шлака также определяются температурным интервалом плавления и его вязкостью. Температурный интервал плавления сварочных флюсов (шлаков) должен быть небольшим (1100-1200°С). Такие шлаки называют короткими. Под вязкостью шлака понимают его подвижность, зависящую от силы внутреннего трения. Чем подвижнее шлак (меньше его вязкость), тем выше его химическая и физическая активность, тем быстрее протекают химические реакции взаимодействия шлака с жидким металлом. Необходимо также, чтобы шлак после затвердевания минимально сцеплялся с металлом и легко бы отделялся от шва.

К числу активных (окислительных) газов относятся углекислый газ и смеси аргона с кислородом или углекислым газом.

В нейтральных защитных средах (аргоне, гелии, бескислородном флюсе) металлургические реакции в зоне сварки протекают весьма слабо. При использовании активных флюсов и газов (содержащих повышенное количество активного кислорода) в зоне сварки протекают сложные металлургические процессы взаимодействия расплавленного металла с газами и шлаками.

В отличие от металлургических процессов в обычных сталеплавильных печах взаимодействие жидкого металла со шлаком и газами при дуговой сварке происходит весьма энергично, несмотря на кратковременность пребывания металла в жидком состоянии. Это обусловлено исключительно высокими температурами в зоне сварки и большими поверхностями контактирования взаимодействующих веществ, особенно при переносе электродного металла через дугу.

Металлургические реакции между жидким металлом, газами и шлаком при сварке протекают в период плавления электрода и накопления капли на его конце, переноса капли через дуговой промежуток и непосредственно в сварочной ванне. При этом температура и поверхность контактирования металла, газа и шлака изменяются, вследствие чего изменяется скорость, а иногда и направление протекания реакций. Поэтому рассматриваются особенности протекания реакций в периоды накопления и переноса капли через дугу и пребывания жидкого металла в сварочной ванне на различных расстояниях от дуги.

В результате металлургических реакций при сварке конечный химический состав металла шва почти всегда отличается от состава присадочного и основного (свариваемого) металла. Причем, как показывает опыт, химический состав металла шва может изменяться в зависимости от режима сварки (особенно сварочного тока и напряжения дуги).

Наиболее важными при сварке являются реакции взаимодействия металла с кислородом, а также диссоциация, растворение и выделение в металле таких газов, как азот и водород. Большое значение имеют реакции связывания и нейтрализации водорода, а также подавления окисления углерода при затвердевании металла.

Ход окислительных реакций, определяющих в значительной степени конечный состав шва, зависит от концентрации взаимодействующих элементов в зоне сварки и их химического сродства к кислороду.

Степень сродства металла к кислороду можно оценить по прочности его окисла, которая в свою очередь зависит от вида окисла, температуры и давления кислорода, контактирующего и взаимодействующего с этим окислом. В системе «металл — кислород — окисел» при данной температуре и давлении кислорода может происходить либо окисление металла с увеличением количества окисла, либо диссоциация окисла с выделением свободного кислорода, либо система может находиться в состоянии равновесия, т. е. никаких реакций в системе протекать не будет. Направление реакции при данной температуре и давлении кислорода будет зависеть от активности данного металла, т. е. от химического сродства его к кислороду.

Давление кислорода в данной системе при нахождении ее в состоянии равновесия называется упругостью диссоциации данного окисла и характеризует прочность этого окисла (сродство данного металла к кислороду). Упругость диссоциации окисла обозначается Ро₂. Чем меньше упругость диссоциации окисла, тем он прочнее (благодаря большему сродству к кислороду металла этого окисла).

Чтобы определить направление реакции взаимодействия металла с кислородом по упругости диссоциации его окисла, необходимо упругость диссоциации Ро₂ сравнить с фактическим парциальным давлением кислорода Ро_2факт в условиях реакции. Если упругость диссоциации данного окисла Ро₂ равна фактическому парциальному давлению кислорода в системе Ро_2факт, реакция не протекает, система находится в равновесии. Если упругость диссоциации окисла данного металла Ро₂ будет меньше парциального давления кислорода над металлом Ро_2факт, будет протекать реакция окисления металла и тем энергичнее, чем больше разность Ро_2факт-Ро₂. Если Ро₂>Ро_2факт, то будет протекать реакция восстановления металла и тем энергичнее, чем больше разность Ро₂-Ро_2факт. Образовавшийся при этом кислород будет уходить в газовую фазу над металлом.

Прочность окисла (а следовательно, и сродство металла к кислороду) лучше всего определять, сравнивая упругость диссоциации окисла с парциальным давлением кислорода в атмосферных условиях. Парциальное давление кислорода в атмосфере составляет 0,21 ат (логарифм этого числа равен минус 0,68) и не меняется с изменением температуры.

Если, например, при комнатной температуре упругость диссоциации окисла Ро₂ меньше парциального давления кислорода в атмосфере Ро_2факт (0,21), то состояние окисла оказывается устойчивым и металл на воздухе будет окисляться. Если Ро₂>Ро_2факт, то устойчивым состоянием будет чистый металл. Естественно, что такой металл в атмосферных условиях окисляться не может. Подобные металлы, как известно, называются благородными. К ним относятся золото и платина.

Упругость диссоциации окислов и, следовательно, сродство элементов к кислороду довольно значительно изменяется с изменением температуры (табл.3).

Таблица 3. Упругость диссоциации окислов

С повышением температуры упругость диссоциации окислов всех металлов увеличивается, а сродство последних к кислороду уменьшается.

Сравнивая между собой два или несколько элементов, можно сделать вывод, что более сильным раскислителем (восстановителем другого металла, например железа, из окисла) будет тот из них, у которого упругость диссоциации его окисла при этой температуре будет меньше.

Следует отметить, что с повышением температуры упругость диссоциации окисла углерода возрастает в наименьшей степени по сравнению со всеми указанными в таблице элементами. В результате этого из таких элементов, как железо, углерод, кремний, марганец, хром, наибольшим сродством к кислороду при наиболее высоких температурах обладает углерод, за ним следует кремний, марганец, хром и железо. При температурах затвердевания металла наибольшее сродство к кислороду приобретает кремний, в меньшей степени углерод, марганец, хром и железо.

Железо по сравнению с остальными указанными элементами при всех температурах жидкой стали обладает наименьшим сродством к кислороду, однако если количество железа будет значительно превышать количество взаимодействующих с ним окислов марганца и кремния, то при высоких температурах оно будет отбирать кислород у марганца и кремния, т. е. восстанавливать марганец и кремний из их окислов. Эти реакции имеют большое значение для сварки под флюсом.

При дуговой сварке в зоне дуги всегда присутствуют в большем или меньшем количестве азот, кислород и водород. Количество этих газов в зоне сварки зависит от ряда факторов. Попавшие в зону сварки газы под действием высокой температуры дуги диссоциируют (молекулы разлагаются на атомы), а также ионизируются и, растворяясь в металле или соединяясь с ним, ухудшают его свойства.

Азот, соединяясь с железом, образует весьма твердые химические соединения — нитриды Fe2N и Fe4N, придающие металлу шва повышенную твердость и хрупкость. При чрезмерном насыщении жидкого металла азотом в шве образуются поры (пузырьки азота).

Кислород с железом образует весьма непрочное вещество — закись железа FeO, хорошо растворимое в жидкой и твердой стали. Обладая более низкой температурой затвердевания, чем сталь, закись железа располагается по границам зерен металла, благодаря чему шов становится непрочным и хрупким. Чем больше кислорода в шве находится в виде закиси железа, тем хуже его механические свойства.

Для связывания кислорода и удаления его из шва в сварочную ванну вводят необходимое количество кремния и марганца, которые отбирают кислород у железа и в виде окислов переводят его в шлак. Этот процесс называется раскислением металла.

Присутствие в металле шва даже сравнительно небольшого количества водорода резко ухудшает механические свойства сварных соединений. Атомы водорода обладают большой диффузионной способностью в жидкой и твердой стали (легко перемещаются в кристаллической решетке). Проникая в микроскопические пустоты твердого металла (дефекты кристаллической решетки, полости со шлаковыми включениями и т. д.), водород скопляется в них под большим давлением и создает напряженное состояние в локальных объемах металла. При растворении водорода в жидком металле сварочной ванны, превышающем растворимость его в твердом металле, в швах образуются поры.

В связи с изложенным необходимо всемерно уменьшать попадание водорода, а в ряде случаев и азота в зону сварки. Наряду с этим следует принимать меры для связывания водорода в зоне сварки в соединения, нерастворимые в жидком металле.