Основные процессы, протекающие при дуговой сварке

Процессов, протекающих в условиях дуговой сварки, много. Рассмотрим основные.

Диссоциация газов и соединений. При диссоциации происходит распад более сложных компонентов на атомы или составные части, что способствует наличие высоких температур в зоне сварки и каталитическое действие расплавленного металла. В первую очередь диссоциации подвергаются молекулы газов – кислорода, азота, водорода, углекислого газа, пары воды.

O₂↔O+O N₂↔N+N H₂↔ H+H CO₂↔CO+O

Диссоциация водяного пара в зависимости от температуры проходит по реакциям.

H₂O↔H₂+O H₂O↔OH+H

Диссоциации подвергаются и более сложные соединения, например, плавиковый шпат СaF₂, входящий в состав многих электродных покрытий и флюсов.

CaF₂→CaF+F

Карбонат кальция.

CaCO₃↔CaC+CO₂ CO₂→CO+O

Находясь в атомарном состоянии, газы становятся химически активными и, реагируя с металлом, резко ухудшают его качество.

Окисление металла при сварке. Металл сварочной ванны может окисляться за счёт кислорода, содержащегося в газовой среде и шлаках в зоне сварки. Кроме того, окисление может происходить и за счёт оксидов (окалины, ржавчины), находящихся на кромках деталей и поверхности электродной проволоки. При нагреве имеющаяся в ржавчине влага испаряется, молекулы воды диссоциируют, а получающийся кислород окисляет металл. Окалина при плавлении металла превращается в оксид железа также с выделением свободного кислорода. Наибольшую опасность для качества шва представляет оксид FeO, способный растворяться в жидком металле. Из-за меньшей температуры плавления, чем у основного металла, он затвердевает в последнюю очередь, образуя прослойки по границам зёрен и снижая пластические свойства металла шва. При большом содержании FeO ухудшаются и механические свойства металла шва.

Fe+CO₂↔FeO+CO Fe+H₂O↔FeO+H₂

В процессе сварки кроме железа окисляются и другие элементы, находящиеся в стали – углерод, кремний, марганец.

C+O→CO, Mn+O→MnO, Si+2O→SiO₂

В сварочной ванне элементы окисляются при взаимодействии их с оксидом железа:

C+FeO↔CO+Fe, Mn+FeO↔MnO+Fe, Si+2FeO↔SiO₂+2Fe.

Окисление этих элементов приводит к уменьшению их содержания в металле шва. Кроме того, образующиеся оксиды могут остаться в шве в виде различных включений, значительно снижающих механические свойства сварных соединений, особенно пластичность и ударную вязкость металла шва. Поэтому одним из условий получения качественного металла шва является предупреждение окисления путём создания различных защитных сред.

Раскисление металла при сварке. Называют процесс восстановления железа из его оксида и перевод кислорода в форму нерастворимых соединений с последующим удалением их в шлак. В общем случае реакция раскисления имеет вид FeO+Me↔Fe+MeO, где Me – раскислитель.

Раскислителем является элемент, обладающий в условиях сварки бо'льшим сродством к кислороду, чем железо. В качестве раскислителей применяют кремний, марганец, титан, алюминий, углерод. Раскислители вводят в сварочную ванну через электродную проволоку, покрытия электродов и флюсы.

FeO+Mn↔Fe+MnO 2FeO+Si↔2Fe+SiO₂ 2FeO+Ti↔2Fe+TiO₂

Оксид марганца малорастворим в железе, но сам хорошо растворяет оксид железа FeO, увлекая его за собой в шлак. Оксид кремния плохо растворим в железе, и всплывает в шлак. Кроме этого образуются более легкоплавкие комплексные силикаты марганца, кремния и железа, титанаты марганца и железа, которые лучше переходят в шлак.

MnO+SiO₂=MnO∙SiO₂ FeO+SiO₂=FeO∙SiO₂

MnO+TiO₂=MnO∙TiO₂ FeO+TiO₂=FeO∙TiO₂

Раскисление углеродом FeO+C=Fe+CO сопровождается образованием оксида углерода в виде газа, который выделяется в атмосферу, вызывая «кипение» сварочной ванны и образуя поры в шве.

Взаимодействие с азотом, водородом ведёт к образованию газовых пор, ухудшению механических свойств и пластичности. Наиболее пагубно влияние на процесс сварки реакции с серой и фосфором.Сера является вредной примесью в сталях. В сварочную ванну она попадает из основного металла, сварочной проволоки и иногда из покрытия электродов или флюса. В металле сера может находиться в виде соединений – сульфидов (FeS), которые хорошо растворимы в железе, снижая механические свойства, повышая склонность к образованию трещин. Введение марганца, кальция и образование сульфидов марганца и кальция, нерастворимого в металле, препятствует этому процессу и легче выводится из сварочной ванны.

FeS+Mn=MnS+Fe FeS+MnO=MnS+FeO FeS+CaO=FeO+CaS

Фосфор в металле шва располагается по границам зерен в виде легкоплавкой прослойки и приводит к сильной неоднородности металла, росту зёрен и снижению пластичности, особенно при низких температурах, вызывая хладоломкость металла.

2Fe₂P+5FeO=P₂O₅+9Fe 2Fe₃P+5FeO=P₂O₅+11Fe

3CaO+P₂O₅=Ca₃P₂O₈ 4CaO+P₂O₅=Ca₄P₂O₉

Процессы вывода серы и фосфора в шлак называется рафинированием.

Сера вызывает «горячие трещины», фосфор – «холодные трещины».

Горячие трещиныпредставляют собой хрупкие межкристаллические разрушения металла шва и околошовной зоны, возникающие в процессе кристаллизации в твёрдо-жидком состоянии, а также при высоких температурах в твёрдом состоянии.

Холодные трещиныпредставляют собой внутрикристаллические разрушения, которые образуются при температурах 200-300°C. Чаще всего они образуются в швах при сварке закаливающихся сталей. Способствует этому повышенное содержание углерода и элементов, облегчающих закалку, наличие в шве водорода, загрязнение фосфором, быстрое охлаждение и наличие в швах внутренних напряжений.