ТЕОРИЯ сварочных процессов

Источники водорода при сварке под флюсом

Этот вид сварки, выполняемый в изолированной от атмосферы газовой полости, обеспечивает надежную защиту металла шва лишь от азота, входящего в состав атмосферы. Среднее содержа­ние азота в швах, полученных при сварке низкоуглеродистых ста­лей, обычно составляет 0,02 %. Такой уровень азота не играет серьезной роли в металлургических процессах, в том числе при образовании пористости швов. Более существенным является при­сутствие в шве водорода и кислорода, которые попадают в зону сваривания разными путями:

- с атмосферной влагой;

- с влагой флюса, входящей в состав его соединений, адсорби­рованной на поверхности зерен, а также внутри них в результате

мокрой грануляции флюса (дробления жидкого флюса струями воды);

- с влагой в составе ржавчины или других поверхностных ок­сидов (Fe2C>3 • 2Н2О, AI2O3 • 2Н2О);

- с основным металлом и сварочными материалами, содержа-

з

щими некоторое количество водорода (0,5...3 см /100 г).

В зависимости от температуры газовой фазы водород может находиться в молекулярном, атомарном или ионизированном со­стояниях.

В расплавленных флюсе и шлаке водород содержится в виде ионов ОН. Растворению водорода в железе предшествует процесс его окисления оксидами Fe:

2FeO + Н2 = Fe* + Fe2+ + 20Н~. (9.39)

Переход водорода из жидкого шлака в металл сварочной ванны сопровождается разрывом связи О-Н. Основной источник водоро­да - водяной пар - в зоне столба дуги диссоциирует. Из расчетов степени термической диссоциации водяного пара при температу­рах, равных температуре капель электродного металла (ниже 4000 К), следует, что она не превышает 70 %. Более полное разло­жение водяного пара происходит при его взаимодействии с метал­лом и шлаком по реакциям:

СО + Н20 = С02 + Н2;

Me + Н2О МеО + Н2;

2FeO + Н20 = Fe203 + Н2; (9.40)

Me + 2Н20 <=> МеО + ОН + ЗН.

Учитывая зависимость растворимости от температуры, полагают, что поглощение водорода происходит на стадии капли; в свароч­ной ванне, наоборот, идет дегазация. Растворимость водорода за­висит как от температуры, так и от парциального давления соглас­но законам Генри и Сивертса. Влияние этих двух факторов учтено в уравнении А. Н. Морозова:

lgVH2 = 0,51gрщ - ipi+0,89. (9.41)

Кроме того, на растворимость водорода в железе влияют леги­

рующие элементы. Титан, ниобий, цирконий повышают ее, так как образуют с водородом прочные гидриды. Другие элементы - раскислители: марганец, никель, хром косвенно влияют на раство­римость водорода в железе, связывая кислород в оксиды, а угле­род, кремний, алюминий снижают ее до 40 см3/100 г. Таким обра­зом, жидкое железо может поглощать значительное количество водорода (см. рис. 9.6, б) даже при низком парциальном давлении. Особенно велика концентрация водорода при многопроходной ду­говой сварке под флюсом в условиях максимального перегрева

металла. В твердом металле шва остаточная концентрация водоро-

з

да достигает 10 см /100 г, а основная масса водорода успевает вы­делиться из металла в результате десорбции в условиях замедлен­ной скорости охлаждения шва под шлаковой коркой.

Присущее всем металлам негативное влияние водорода заклю­чается в том, что при кристаллизации образуется пористость по

реакции 2[Н] = Н2- Возникновение при охлаждении молекулярно­го водорода, не растворимого в металле, является главным факто­ром появления пор в шве. Закономерности образования межфаз­ной поверхности газ - металл и рост пор, описанные в гл. 8, под­тверждают, что скорость роста пузырьков определяется степенью пересыщения сварочной ванны газами и диффузией атомов газов в зародыш из прилегающих микрообъемов. При локальном пересы­щении жидкости у фронта кристаллизации зарождение и развитие пузырьков наиболее вероятны при остановке роста кристаллов, имеющей место в условиях периодической кристаллизации. Для обычных условий охлаждения сварочной ванны наиболее вероятно образование мельчайших пор у линии сплавления, где средняя скорость роста кристаллитов минимальна. Это чаще всего наблю­дается при сварке алюминия, меди и их сплавов.

При сварке с флюсовой защитой металла, включая комбиниро­ванную газошлаковую защиту, существенное снижение главного фактора - парциального давления водорода в зоне столба дуги достигается путем его связывания в нерастворимые соединения с

фтором (HF) в результате выделения фтора из флюорита CaF2, входящего в состав флюсов, по реакции

CaF2 + 2Н -> Са + 2HF. (9.42)

Таким образом, тщательная прокалка флюсов, их хранение в герметичной таре, очистка поверхности металла и электродной проволоки от ржавчины и масла способствуют уменьшению водо­родного насыщения швов, а также предотвращению пористости.

Присутствие кислорода в газовой фазе флюсовой полости обу­словлено в основном тем, что:

- на поверхности металла свариваемых кромок имеются окси­ды (окалина БезОд и ржавчина Fe203*2H20), диссоциирующие при дуговом нагреве (с выделением свободного кислорода) или вступающие с жидким железом в реакции:

Fe304 + Fe = 4FeO, (9.43а)

Fe203 + Fe = 3FeO; (9.436)

- во флюсе есть воздух и влага, диссоциирующая при сварке и взаимодействующая с жидким железом по реакции

Н20 + Реж <=> [FeO] + Н2; (9.44а)

- при дуговой сварке происходит выделение на аноде кислоро­да по реакции

2(ОН) + [Fe] (Fe2+) + (О2-) + 2[Н], (9.446)

а на катоде - водорода по реакции

Н++е?=і[Н]. (9.45)

Кроме того, кислород попадает в жидкий металл ванны при

прямом взаимодействии Реж с химически активными оксидами жидких шлаков в результате обменных реакций, например

(Si02) + 2Fe>K 2 (FeO) + [Si]. (9.46)

Таким образом, в шлаке возникает закись железа FeO, которая растворима в жидком железе. Если оксид, растворимый в металле, образуется во флюсе-шлаке, то между концентрациями этого ок­сида согласно закону распределения Нернста устанавливается оп­ределенное соотношение

1=ТТ^Л=/(г)- (9-47)

[МеО]

В результате реакции (9.46) жидкий металл одновременно окис­ляется и легируется (обычно кремнием или марганцем). Термоди-

намический расчет, подтверждающий ход этих реакций в указанных направлениях дан в гл. 8 (пример 8.3). Таким образом, кремнемар­ганцевые шлаки, имеющие большее количество кислотных оксидов (% Si02 > % МпО), окисляют капли электродного металла при вы­соких температурах (т. е. осуществляется первая стадия кремнемар­ганцевого процесса). Поэтому они считаются активными. Наряду с окислением капли кремнемарганцевые шлаки обогащают металл кремнием и марганцем, которые, попадая в более холодный металл сварочной ванны, вызывают процессы раскисления.

Если в электродном металле содержатся легирующие элементы с большим сродством к кислороду, чем у железа, то происходит их необратимое окисление при взаимодействии с SiC>2 и МпО. Поэтому при сварке легированных и высоколегированных сталей недопус­тимо применение кремнемарганцевых флюсов, которые хотя и имеют хорошие сварочно-технологические свойства, но весьма активны, так как содержат термически малопрочные оксиды Si02 и МпО, выделяющие кислород в обменных реакциях.

Ввод термически более СТОЙКИХ КИСЛОТНЫХ ОКСИДОВ AI2O3 и ТІО2 позволяет несколько снизить активность флюсов, но вызыва­ет другие реакции окисления (с участием углерода и кремния) и восстановление алюминия и титана, переходящих в металл шва из флюсов. Однако окисление AI2O3 и ТІО2 происходит при более высоких температурах и по более сложной схеме:

- восстановление алюминия и титана из AI2O3 и ТІО2 кремнием;

- окисление легирующих элементов (С, Si, Мп, Сг) кислоро­дом, выделяющимся при частичной диссоциации AI2O3 и ТІО2;

- образование в наплавленном металле остаточного кислорода (входившего в состав AI2O3 и ТІО2), т. е. создаются включения.

Такой же результат имеет место при вводе кислотного оксида ZrC>2. Итак, с увеличением количества кислотных термостойких ок­сидов в составе флюса (AI2O3, Z1O2, ТІО2) усиливаются процессы окисления легирующих элементов (Сг, Si, Мп, Nb) и восстанавли­ваются металлы Zr, А1, Ті из их оксидов. При этом растет общее содержание кислорода, а содержание других ферритизаторов и фер - ритной фазы уменьшается. Термодинамические расчеты, выпол­ненные Н. Н. Потаповым, показали, что окисление хрома Сг и наи­более эффективного ферритизатора и стабилизатора ферритной фазы в аустените - ниобия Nb происходит с участием диоксида кремния SiC>2, а также его монооксида SiO по следующим реакциям:

^ [Cr] + 2(Si02) І (Сг20з)шл + 2SiOra3; (9.48) I [Nb] + 2(Si02) *=* |(КЬ205)шл +2SiOra3.

Присутствие неметаллических включений снижает сопротив­ляемость металла шва образованию горячих трещин, коррозион­ную стойкость швов и пластичность сварных соединений высоко­легированных сталей.

В отличие от кислотных оксидов основные оксиды (СаО, MgO) обладают достаточной химической стойкостью во всем диапазоне сварочных температур, но не обеспечивают необходимые техноло­гические свойства. Из работ Б. Н. Бадьянова следует, что составы флюсов для высоколегированных сталей должны создаваться на основе компромисса, причем рекомендуется, чтобы содержание главного окислителя SiC>2 составляло не более 10 %, что позволит полностью связать его основными оксидами в комплексы Si02 • СаО и т. п.