СВАРОЧНЫЕ РАБОТЫ

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ СВАРОЧНОГО ШВА

Химический состав сварочного шва значительно* от­личается от основного металла^ так как в этой области происходит перемешивание основного и электродного металлов, различных присадок, используемых при сварке, а также реакций взаимодействия жидкой фазы с атмос­ферными газами и защитными средствами. Соотношения отдельных компонентов, из которых состоит сварочный шов, зависит от способа наложения шва, режимов сварки. К примеру, если сварочный шов ведется с разделкой, то доля основного металла в структуре шва значительно сни­жается. Соотношение основного и электродного металлов в сварочном шве определяют по формуле:

£о = + SH),

где ga~ доля основного металла в сварочном шве; 5пр и SK — площади, занятые основным и электродным метал­лом соответственно.

Если не учитывать реакции, происходящие в зоне сварки, то долю любого элемента Сш, содержащегося в сварочном шве, можно определить по формуле:

Сш = C„gо + C3(l - g0), где С0 и С3 — исходное содержание элемента в основном и электродном материале. Однако на практике такое яв­ление встретить не удается. Поэтому определение доли элемента, содержащегося в металле шва, учитывают с помощью поправочного коэффициента л, показывающе­го, какая доля металла, содержащегося в электроде или сварочной проволоке, переходит в металл шва. Величина этого поправочного коэффициента зависит от его хими­ческой активности, вида сварки и может колебаться в пределах от 0,3 до 0,95.

Сш = Cog0 + лСэ(1 - g0).

В процессе сварки расплавленный металл активно вступает в реакцию с атмосферными газами, поглощая

их и тем самым, снижая механические качества свароч­ного шва. К примеру, при дуговой сварке дуга, контакти­рующая с металлом, состоит из смеси N2,02, Н2, С02, СО, паров Н20, паров металла и шлака. В зоне плавления металла происходит распад молекул на атомы (так назы­ваемый процесс диссоциации). Под воздействием высо­ких температур молекулярный азот, водород и кислород распадаются и переходят в атомарное состояние, при ко­тором активность газов значительно повышается.

К примеру, атомы кислорода начинают активно раство­ряться в жидкой фазе металла, а при достижении предела растворимости начинается химическое взаимодействие, сопровождающееся образованием оксидов, В результате это­го примеси и легирующие элементы, содержащиеся в ме­талле, окисляются. С повышением содержания кислорода в металле шва снижается предел прочности, предел теку­чести, ударная вязкость. Кроме того, ухудшается коррози­онная стойкость и жаропрочность сталей. Кислород попа­дает в зону еварки из окружающего воздуха, из влаги, на­ходящейся на свариваемых кромках и флюсах, с обмазки электродов. Удаление кислорода из расплавленного метал­ла достигается за счет введения в сварочную ванну крем­ния и марганца, которые взаимодействуют с оксидом же­леза, образуя шлак. Шлак в процессе кристаллизации образует на поверхности шва твердую корку, которая уда­ляется механическим путем.

Растворение азота в жидкой фазе большинства конст­руктивных металлов сопровождается образованием соеди­нений, называемых нитридами. Это приводит к старению металла и повышению его хрупкости. Азот попадает в зону сварки из окружающего воздуха, и для недопущения об­разования нитридов сварочную ванну изолируют средой защитных газов. Защиту сварочного шва осуществляют при сварке легированных, жаропрочных сталей и боль­шинства цветных металлов.

Весьма нежелательным процессом является растворе­ние водорода, что приводит к возникновению соедине­ний, называемых гидридами. Образование этих соединений в зоне термического влияния приводит к появлению пор, микро - и макротрещин. Водород попадает в зону сварки из атмосферного воздуха и при разложении влаги, которая имеется на свариваемых кромках, в обмазке электродов, защитных флюсах и т. д. Снижению содержания водорода способствует предварительное прокаливание электродов, свариваемых поверхностей и тщательная их зачистка.

Окись углерода в жидкой фазе металла практически не растворяется, но влияние этого соединения на качество сварочного шва огромно. В результате процесса кристал­лизации металла окись углерода начинает выделять пу­зырьки, образуя поры в массиве сварочного шва.

Негативное влияние на состав сварочного шва оказы­вает сера, которая находится в основном и присадочном металлах, в покрытиях, флюсах и т. д. Под действием вы­соких температур в сварочной ванне образуется сульфид железа (FeS), который в процессе кристаллизации обра­зует эвтектику, температура плавления которой ниже, чем у основного металла. Эвтектика — тонкая смесь твер­дых веществ, одновременно выкристаллизовывающихся из расплава при температуре более низкой, чем темпера­тура плавления отдельных компонентов; а также — жид­кий расплав или раствор, из которого возможна такая кристаллизация.

Пары воды, находящиеся в жидкой фазе металла, вза­имодействуют с ней, образуя оксиды железа и водород.

Бороться с этими вредными явлениями чрезвычайно Трудно, и полностью изолировать сварочную ванну от влияния атмосферных газов чаще всего не удается. Для того чтобы снизить влияние на сварочную ванну атмос­ферных газов* применяют различные виды защиты (элек­тродное покрытие, защитные газы, флюсы, вакуум и т. д.). Но так как абсолютно чистых веществ в природе не быва­ет (даже вакуум не бывает абсолютно полным и содержит некоторое количество примесей), то защитные средства также вступают во взаимодействия с жидкой фазой ме­талла, вызывая так называемые металлургические реак­ции. Но, несмотря на это, применение защитных средств значительно снижает интенсивность металлургических реакций и позволяет добиться хорошего качества свароч­ного шва. Кроме того, большая скорость охлаждения сварочной ванны не позволяет'металлургическим реак­циям завершиться полностью.

Защитные газы изолируют сварочную ванну от атмос­ферного воздействия, поэтому металлургические процес­сы протекают только между элементами, содержащими­ся в основном и присадочном металлах. Наиболее эффек­тивными являются инертные газы (аргон, гелий), которые не взаимодействуют с другими элементами. За­щитная роль инертных газов значительно повышается при тщательной зачистке свариваемых кромок, на которых могут быть посторонние элементы, влияющие на хими­ческие процессы, происходящие в сварочной ванне.

Роль активного газа С02 сводится к оттеснению от сва­рочной ванны окружающего воздуха и в первую очередь азота.

Флюсы сами по себе оказывают влияние на металлур­гические процессы. Под действием высоких температур они расплавляются и, взаимодействуя с жидким метал­лом, меняют состав сварочной ванны. К примеру, флю­сы, содержащие в своем составе марганец и кремний, способствуют процессу восстановления этих веществ и частично препятствуют окислению углерода, что снижа­ет вероятность образования в металле шва пор.

Образовавшийся при этом оксид железа переходит в шлак. Кроме того, марганец способствует выводу сернис­тых соединений, предотвращая появление горячих тре­щин, о чем мы. рассказывали выше. Однако, при всех сво­их положительных действиях, флюсы не позволяют пол­ностью освободиться от вредных примесей в сварочной ванне, так как металлургические реакции протекают очень быстро. Но роль в сварочном процессе флюсов, осо­бенно керамических, огромна. Они способствуют раскис­лению металлов, легированию сварочного шва, значи­тельно повышая его качество. Кроме того, флюсы снижа­ют скорость кристаллизации, что способствует более полному выводу газов из расплавленного металла. Однако флюсы могут оказывать и негативное воздействие, спо­собствуя увеличению размера кристаллов. Избежать этого помогает добавление специальных модификаторов, со­держащих алюминий, титан или ванадий.

Модификаторы измельчают структуру шва, улучшая его прочностные характеристики. О методике примене­ния защитных газов и флюсов мы расскажем в соответ­ствующих разделах данной книги.