ТЕОРИЯ сварочных процессов

Особенности металлургических процессов при дуговой сварке под слоем плавленых и керамических флюсов

При дуговой сварке под флюсом следует различать:

- высокотемпературную зону, где металл нагревается до тем­пературы, близкой к кипению. Она охватывает переднюю стенку сварочной ванны, плавящийся торец электрода, капли металла, проходящие дуговой промежуток, а также активное пятно дугово­го разряда на дне сварочной ванны;

- низкотемпературную зону, включающую хвостовую часть сварочной ванны, где температура приближается к температуре кристаллизации металла и происходят процессы кристаллизации, обменные реакции между шлаком и металлом, их конвективное перемешивание, выделение газов и пр. Главная особенность про­цесса - обратимость реакций в обеих зонах.

В высокотемпературной зоне под флюсом, содержащим МпО и Si02, интенсивно развиваются эндотермические обменные реакции, приводящие к легированию капель железа кремнием и марганцем и одновременно к их окислению компонентами флюса (в результате образования закиси железа, растворяющейся в каплях):

Fe + (МпО) [Мп] + [FeO];

Такой процесс называется кремнемарганцевосстановительным. Ход реакций (10.1) в прямом направлении подтверждается термо­динамическими расчетами, приведенными в гл. 9 (пример 9.3).

В этой же зоне может происходить окисление углерода стали оксидами железа, если его химический потенциал меньше, чем у Мп и Si:

[FeO] + [С] Fe + CO. (10.2)

Обычно материал электродных проволок имеет пониженное содержание углерода, поэтому реакция (10.2), приводящая к выде­лению газа - оксида углерода СО - из капли, не происходит. Кро­ме того, окислению углерода препятствует кремний, который вос­станавливается марганцем из Si02 при высоких температурах:

2[Mn] + (Si02) -> [Si] + 2MnO. (10.3)

Вероятность этой реакции обоснована пересечением линий AG =/(7) на рис. 8.12.

Следует учесть, что интенсивное перемешивание шлака с ме­таллом приводит к извлечению значительной части FeO в шлако­вую фазу ([FeO] -» (FeO)) согласно описанному в гл. 8-9 закону распределения в гетерогенной системе жидкий металл - жидкий шлак. Чем ниже температура, тем больше FeO в шлаке и тем меньше - в металле.

В шлаке (FeO) переходит в соответствующие комплексы, на­пример в силикаты (FeO • Si02). По исследованиям В. В. Подгаец - кого, плавящийся электродный металл капли значительно обога­щается кремнием и марганцем. Если использовать флюс АН-348 и проволоку Св-08, то содержание Si в проволоке составляет 0,02 %, а в капле 0,15 %, т. е. в 7,5 раз больше; содержание Мп в проволо­ке и капле составляет соответственно 0,52 и 0,63 %.

Обогащенный кремнием и марганцем металл в виде капли по­падает в низкотемпературную зону сварочной ванны. При пони­жении температуры реакции (10.1) идут в обратном направлении, т. е. эти элементы (кремний и марганец) начинают раскислять ме­талл и их концентрации в металле шва снижаются, приближаясь к исходным:

[Мп] + [FeO] -» Fe + (МпО);

(10.4)

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

Поскольку основная часть FeO извлечена шлаком, то металл шва после раскисления согласно реакциям (10.4) будет содержать больше Si, чем его исходное содержание. Часть Мп при этом рас­ходуется на восстановление Si - следовательно, имеет место леги­рование при сварке.