Для понимания особенностей сваривания металлов необходимо иметь представление об основных химических реакциях, которые протекают в зоне сварки.
Сам процесс в упрощенной форме выглядит так: под воздействием высокой температуры электрической дуги кромки сваривающихся металлов, электродного металла и флюса расплавляются. В ходе этого формируется сварочная ванна, вокруг которой находится относительно холодный металл, причем его толщина может быть значительной, и которая покрыта расплавленным шлаком. В результате при сварке наблюдается взаимодействие между расплавленным металлом с одной стороны и шлаком, атмосферным воздухом и выделяющимися в процессе плавления газами – с другой. Начало этого процесса отмечается с того момента, как только появляются первые капли металла электрода, а его завершение знаменуется полным охлаждением металла шва.
Основными составляющими газовой среды, в которой протекает процесс сварки, являются CO2, CO, H2O, H2, O2, N2 и продукты их диссоциации – OH, H, N, O.
Кроме того, здесь присутствуют пары металла и шлака.
Источники кислорода – окружающий воздух и электродное покрытие. При взаимодействии кислорода с расплавленным металлом железо окисляется, образуя оксиды – закись железа FeO (II), окись железа Fe2O3 (III), закись-окись железа Fe3O4 (с содержанием O2 22,27, 30,06 и 27,64 % соответственно), что иллюстрируется следующими реакциями:
2Fe + O2 ↔ 2FeO;
Fe + O ↔ FeO;
4Fe + 3 O2 ↔ 2Fe2O3;
3Fe + 2 О2 ↔ Fe2O4.
Из оксидов в железе растворяется лишь закись. Окись и закись-окись практически не растворимы, вследствие чего их влияние на свойства железа не отмечается, но при определенных условиях они, присутствуя на неподготовленных кромках свариваемых металлов (в ржавчине, окалине), превращаются в закись согласно реакциям:
Fe2O3 + Fe = 3FeO;
Fe3O4 + Fe = 4FeO.
В этом случае закись железа растворяется в расплавленном металле и шлаке, что в сводных швах проявляется в виде пор (при охлаждении металла закись железа выпадает из раствора, но если скорость этого процесса высока, то закись сохраняется в растворе и формирует прослойки шлака между зернами металла), которые снижают качество сварки. Для уменьшения растворимости закиси (она зависит от содержания углерода в стали и температуры: при повышении первого снижается, при возрастании второй – увеличивается) в металле важно, чтобы ее концентрация в шлаке была низкой. Тогда закись будет переходить в шлак.
В зоне так называемой дуги имеются углекислый газ CO2 и пары воды H2O, которые тоже принимают участие в окислении железа, поскольку при их диссоциации выделяется активный кислород:
Fe + CO2 ↔ FeO + CO;
Fe + H2O ↔ FeO + H2.
Кроме того, металл окисляется под воздействием окислов кремния (SiO2) и марганца (MnO).
Чтобы снизить концентрацию кислорода в расплавленном металле сварочной ванны, прибегают к введению раскислителей, степень сродства которых к кислороду (степень активности окисления элемента кислородом) больше, чем у металла сварочной ванны.
Из воздуха в зону сварки поступает азот, который в зоне сварочной дуги присутствует и в атомарном, и в молекулярном, и в ионизированном состояниях. Его растворимость в железе определяется температурой. В процессе охлаждения шва азот выделяется из раствора, вступает в реакцию с металлом шва, в результате чего образуются такие химические соединения, как нитриды железа, марганца и кремния (Fe2 N, Fe4 N, MnN, SiN). Если охлаждение проходит с большой скоростью, то азот, не успевая полностью выделиться, вместе с металлом входит в перенасыщенный твердый раствор, что, с одной стороны, резко повышает прочность шва, а с другой – становится причиной постепенного старения металла шва и негативно сказывается на его механических свойствах (он утрачивает пластичность). Поэтому необходимо принимать меры по недопущению проникновения азота в зону сварочной ванны, что возможно, например, при осуществлении сварки в среде защитного газа.
При диссоциации водяных паров (они проникают в зону дуги из воздуха, флюса и др.), которая развивается в зоне сварки под воздействием высокой температуры, образуется еще один газ – водород. Он может быть и молекулярным, и атомарным, причем последний хорошо растворяется в расплавленном металле, особенно при повышении температуры. Когда она поднимается до 2400 °C, количество водорода составляет 43 см3 на 100 г металла (это максимальное значение).
По способности растворять водород металлы делятся на две группы:
✓ металлы, не вступающие в соединения с водородом (железо, никель, медь и др.);
✓ металлы, образующие при взаимодействии с водородом гидриды (ванадий, титан, редкоземельные элементы и др.).
Присутствующие в металле легирующие элементы по-разному воздействуют на растворимость водорода – могут либо повышать ее, либо понижать. К первым относятся титан и ниобий, а ко вторым – хром, алюминий, а также кремний и углерод.
При охлаждении металла атомарный кислород переходит в молекулярное состояние. Но, если кристаллизация протекает с высокой скоростью, водород не может полностью выделиться из металла, что негативно отражается на качестве шва, металл которого приобретает пористость, становится менее пластичным, усиливается трещинообразование и т. п.
Чтобы минимизировать концентрацию водорода в сварочной ванне, вводят элементы, которые вступают в реакцию с ним и образуют нерастворимые соединения (например, фтористый водород), либо применяют окисление сварочной ванны.
Из всего сказанного следует вывод: физико-химические процессы, которые наблюдаются в зоне дуги, существенно влияют на качество металла сварного шва и, следовательно, всего соединения. Поэтому требуется принимать меры, защищающие расплавленный металл сварочной ванны от нежелательного воздействия на него перечисленных газов. Названный способ, предполагающий осуществление сварки в среде защитных газов, а также создание шлаковой оболочки над ванной расплавленного металла, оказывает положительное влияние, но полностью защитить металл от проникновения кислорода и образования в нем соединений с ним это не может. Более эффективным оказывается раскисление металла и извлечение из сварочной ванны оксидов.
В качестве раскислителей металла сварочной ванны используют алюминий, углерод, титан, кремний и марганец, поскольку они имеют значительное сродство к кислороду. Данные элементы вводят в расплавленный металл одним из трех способов – в виде:
✓ электродной проволоки или присадки;
✓ флюса;
✓ электродного покрытия.
Они взаимодействуют с окислами металла. Раскислители вводят в сварочную ванну в виде ферросплавов (ферротитана, ферромарганца и др.), входящих в состав электродного покрытия или флюса. Расплавляясь, они практически целиком переходят в шлак.
Перечисленные выше раскислители ведут себя совершенно по-разному, поэтому одним из них отдают предпочтение чаще, а другие применяют реже. К последним относится алюминий, поскольку он образует тугоплавкие соединения с кислородом, которые придают стали нежелательные качества, в частности склонность к трещинообразованию. Тем не менее при его использовании взаимодействие протекает в соответствии с реакцией:
