Диссоциация простых и сложных газов

В результате столкновений и ударов в зоне высокой температуры сварочной дуги происходит распад молекул газа на атомы.

H₂=2H; O₂=2O; N₂=2N

Атомарный кислород, азот и водород обладают большей активностью и интенсивнее растворяются в металле, ухудшая его свойства снижают пластичность и повышают хрупкость. В состав многих покрытий и флюсов вводится плавиковый металл CaF₂ который, разлагается при высокой температуре выделяет фтор.

CaF₂=CaF+F

Фтор ухудшает условие горения сварочной дуги в следствии большого сродства к электрону.

Взаимодействие кислорода с расплавленным металлом сварочной ванны

В зоне сварочной дуги имеются газовая, шлаковая и металлическая фазы.

Находящийся в газовой фазе молекулярный и атомный кислород соединяется с металлом сварочной ванны.

Железо с кислородом образуют три соединения (оксида) имеющих весьма важное значение в металлургических процессах, происходящих при сварке плавлением:

Оксид железа FeO, содержащий 22,27% O₂; оксид железа Fe₃O₄, содержащий 27,64% О₂; оксид железа Fe₂O₃ содержащий 30,06% О₂.

Из всех трех оксидов растворим в железе только FeO, остальные оксиды практически не растворимы.

Однако окалина и ржавчина на свариваемых кромках содержащие высшие оксиды, свободным железом могут раскисляться по реакциям.

Fe₃O₄+Fe=4FeO, Fe₂O₃+Fe=3FeO

Образующийся оксид Fe растворяется частично в шлаке и частично в расплавленном металле, вследствие чего в сварном шве образуются поры.

Если жидкий металл содержит элементы раскислители, которые имеют большие средство к О₂ чем металл сварочной ванны, то в этом случае концентрация О₂ в сварочной ванне может бать значительно уменьшена за счет элементов раскислителей.

Азот. При нормальных условиях азот химически активен и при обычной температуре он вступает в реакцию, только с литием образует нитрид лития. Азот способствует образованию пор в металле шва. Увеличение его концентрации в низкоуглеродистых сталях влияет на прочностные и пластические свойства этих сталей и способствует старению металла.

По влиянию на растворимость азота в железе элементы могут быть распложены примерно в следующий ряд: Ti, V, Cr, Ta, Mn, Mo, W.

Эти элементы увеличивают в определенных условиях и пределах растворимость азота, а Al, Cu, Zn, S, As, Co, Ni, Si, P, O, C, Mg, уменьшают его растворимость.

Взаимодействие металла со шлаком

При расплавлении электродного покрытия образуется шлак, который изолирует расплавленный металл от воздуха. Шлаки бывают кислые и основные.

Влияние серы и фосфора на количество сварных соединений. Сера, соединяясь с Fe, образует сульфид железа FeS, который является вредной примесью в металле шва. Сульфид железа в период кристаллизации сварочной ванны образует легкоплавкую эвтектику FeS-Fe с температурой плавления 940°C и малую растворимость в жидкой стали, это является причиной образования горячих трещин.

Фосфор также оказывает вредное влияние, он снижает ударную вязкость металла шва. Для ликвидации вредного влияния серы и фосфора необходимо уменьшить их содержание в металле шва созданием их соединений не растворимых в металле.

Легирование расплавленного металла

Легирование металла шва может быть получено расплавлением присадочной проволоки, введением в покрытие (или флюс) порошкообразных металлических добавок или восстановлением из окислов металлов.

Активность некоторых широко распространенных элементов по отношению к кислороду повышается в следующем порядке:

До температуры 1660°С: Cu – Ni – Со – Fe – W – Mo – Cr – Mn – V – Si – Ti – Zn – Al.

Элементы, стоящие левее от железа, при сварке сталей будут практически полностью усваиваться сварочной ванной. Большую трудность представляет легирование шва титаном и алюминием, так как чем правее от железа расположен элемент, тем быстрее он окисляется.