СВАРКА И РЕЗКА МЕТАЛЛОВ

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:

закись железа по реакции 2 Fe-f - 02^±2 Fe О; окись железа по реакции 3 Fe - f - 2 Fe304;

закись-окись железа по реакции 2 Fe - f-1,5 02^± Fe303,

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 раскис -

л ением 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:

mMe-f j02^±MemO„,

где т — число молекул металла (Me) или другого элемента, участ­вующего в реакции с кислородом; п — число молекул кислорода (О^, пошедшего. на окисление или содержавшегося в окисле.

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[4] рав­новесия К. Эта величина равна:

[%Ме]т [02]

к=---------------------------------- ■.

I % МетО„ і

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, которце 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 рас - кислителей 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 — раскис - лителей 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:

2 FeOMtT + Si

мет

^SiOaJWI + 2FeMeT;

FeOMeT Мпмет^*МпОшл —J - FeMeT.

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 • ТЮ2 (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 кремния (Si02) 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 ввде ферромарганца.

Реакция раскисления углеродом протекает так:

FeOMeT | СщЄТ^-іСОатм —{— FeMeT.

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

(Si02) + 2 [Fe]—>-2 (FeO) + [Si];

шлак металл I шлак металл

[FeO]

металл -

(МпО) + [Fe]—»-(FeO) + [Мп];

шлак металл I шлак металл

[FeO]

металл

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:

раскисление кремнием 2 FeO - f - Si Si02 - f - 2 Fe; раскисление титаном 2 FeO - f - Ті ^Ті02-[- 2 Fe.

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—43,3 %, марганца до 0,7—1% и более.

Выше указывалось, что алюминий обладает большим сродством к кислороду. Однако окись алюминия (А1203) 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:

FeS - f - Мп MnS 4~ Fe;

FeS -{- МпО MnS - j - FeO.

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

Удалению серы способствует также окись кальция, при этом происходит реакция

FeS - f - CaO = FeO - f - CaS.

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:

с закисью железа. . 2 Fe2P

или 2 FesP

с окисью кальция. . 3 СаО или 4 СаО - j - РаОв = Са4Р2Ов

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 водо­
рода 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, вЪдород 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

FeO-f 2H = Fe-f Н20.