Химические процессы в сварочной ванне. Вредные примеси и их удаление из сварочной ванны.

Основными вредными примесями для сварного шва являются кислород, азот, водород, сера, фосфор.

Кислород - ухудшает механические, технологические свойства (ковкость, обрабатываемость), износостойкость металла шва, может привести к образованию пор. Источником кислорода является окружающий воздух.

Содержание кислородав сварном шве зависит отдлиныдуги,силысварочного тока, условий защиты. При увеличении длины дуги и силы сварочного тока (когда уменьшаются размеры, но увеличивается количество капель электродного металла), увеличивается площадь соприкосновения расплавленного металла с воздухом – увеличивается количество кислорода, попадающего в сварной шов.

Азот- образует нитриды железа (Fe₄N, Fe₂N),марганца и др. элементов, которые располагаются в сварном шве в виде игольчатых включений, приводящих к появлению трещин в сварной конструкции при низких температурах (хладоломкость).

Азот может попадать всварной шов из воздуха, т.е. содержание азотав сварном шве зависит от тех же факторов, что и кислорода.

Водородприпопадании в сварочную ванну вызывает в сварном шве трещины, поры. Источниками водорода могут бытьвлага в покрытии электродов,ржавчина и другие загрязнения на кромках. При увеличении степени легирования увеличивается склонность к водородным трещинам.

Сера и фосфор- могут попадать в сварочную ванну из основного металла, сварочной проволоки, покрытия электродов, флюсов. Сера приводит к появлению трещин при высоких температурах («красноломкость»), а фосфор – к появлению трещин при низких температурах («синеломкость»).

Уменьшение содержания вредных примесей в сварном шве достигается газошлаковой защитой расплавленного металла – при расплавлении покрытия электрода или флюса образуется газ, окружающий дугу, и шлак, обволакивающий капли расплавленного металла и сварочную ванну, шлак также замедляет остывание жидкого металла.

Кроме того, для получения качественного шва используют создание специальных химических процессов в сварочной ванне:

1. Раскисление сварного шва – удаление кислорода из сварного шва за счет добавки специальных элементов.

Эти элементы должны отвечать двум требованиям: во-первых, они должны иметь большее, чем железо, сродство к кислороду, т.е. они должны «забирать» кислород от железа, восстанавливая его из окислов; во-вторых, эти новые соединения должны быть нерастворимы в стали, т.е. выходить из шва в шлак.

Этим требованиям отвечают следующие элементы («раскислители»):

o Углерод (С) является «автоматическим раскислителем», т.е. его специально не добавляют в сварочную ванну – он всегда присутствует в стали и поступает в сварочную ванну из основного металла, присадочного материала (проволоки), покрытия электродов, флюса.

2FeO + C = 2Fe+ CO₂

Углекислый газ (CO₂) должен успеть выйти из шва в шлак до кристаллизации, иначе могут быть поры.

o Марганец (Mn) раскисляет шов и удаляет серу (S):

FeO + Mn = Fe + MnO

FeS + Mn = MnS + Fe

Соединения, указанные стрелками, должны выйти в шлак.

o Кремний (Si) – более сильный, чем марганец, раскислитель, но применяют его вместе с марганцем, т.к. соединение SiO₂- вязкое, а марганец придает им жидкотекучесть, т.е. способствует выходу в шлак. В противном случае могут возникать дефекты сварного шва – «шлаковые (неметаллические) включения».

o Титан (Ti)– сильный раскислитель

Ti + 2Fe = TiO₂ + 2Fe

2. Легирование шва – введение в шов специальных благородных элементов (Mn, Si, Cr, Ni, Mo,W, Ti и др.), которые улучшают химический состав и структуру металла шва. Легирующие элементы могут вводиться через присадочные материалы (проволоку), покрытия электродов, флюс.

3. Очищение шва от серы и фосфора–

Сера образует соединения FeS - при кристаллизации получаются легкоплавкие соединения по границам зерен металла, которые при высоких температурах, расплавляясь, образуют трещины; удаление - марганцем

FeS +Mn= MnS+ Fe

FeS +MnО=MnS+ FeО

Фосфор снижает механические свойства металла, приводит к синеломкости (трещины при низких температурах)

Удаление - в 2 этапа:

– Окисление 2Fe₂P + 5FeO = P₂O₅ + 9Fe;

2Fe₃P + 5FeO = P₂O₅ + 11Fe

– Связывание в химические соединения (окислами Ca, Mg, Mn), нерастворимые в стали

3CaO + P₂O₅ = Ca₃P₂O₈

4CaO + P₂O₅ = Ca₄P₂O₉