 |
3.2 Основные реакции в зоне сварки
|
|
|
|
3. 2 Основные реакции в зоне сварки
3. 2. 1. Взаимодействие металла с газовой фазой.
Образующаяся при ручной дуговой сварке и контактирующая с расплавленным металлом газовая фаза состоит в основном из смеси газов (кислорода, азота, водорода, углекислого газа, оксида углерода) и паров воды. Они являются продуктами диссоциации и разложения, в первую очередь, специально вводимых в электродное покрытие газообразующих материалов (карбонатов, целлюлозы) и некоторых посторонних веществ, содержащихся в электроде и находящихся в зоне сварки на поверхности свариваемых элементов, а также компонентов воздуха, попавших в область дуги. В газовой фазе в заметных количествах могут присутствовать пары основного металла и легирующих элементов.
В области высоких температур вследствие диссоциации (распада) молекул определённое количество кислорода, азота и водорода находятся в атомарном состоянии. Это делает их чрезвычайно активными, и именно кислород, азот и водород играют главную роль во взаимодействии расплавленного металла с газовой фазой.
Взаимодействие с кислородом. Источниками кислорода в газовой фазе являются углекислый газ, образующийся при диссоциации содержащихся в покрытии карбонатов кальция и магния (CaCO3 = CaO + CО2; MgCO3 = MgO + CO2), пары воды и частично воздух, в котором находится 23, 2% кислорода.
Углекислый газ и пары воды при высоких температурах диссоциируют с образованием кислорода:
CO2 = CO + 0, 5O2;
H2O = H2 + 0, 5O2
При контакте свободного кислорода с расплавленной сталью происходит его растворение в железе, при достижении предела растворимости – химическое взаимодействие с образованием оксида железа FeO. При снижении температуры расплава равновесная растворимость кислорода в железе, контактирующем с FeO, понижается (при температуре 1520оС происходит резкое снижение растворимости с 0, 18% в жидкости до 0, 08 % в δ -железе). Выделяющийся из расплава кислород реагирует с железом и содержащимися в стали легирующими элементами, имеющими достаточные для этого концентрации и повышенное сродство к кислороду. Распределение элементов по степени уменьшения сродства к кислороду следующее: Ca → Mg → Al → Ti → Nb → Si → V → Mn → Cr → Mo → W → Fe → Co → Ni → Cu.
|
|
|
Окисление железа и других элементов возможно и путём непосредственного взаимодействия с углекислым газом и водой:
Fe + CO2 = FeO + CO;
Fe + H2O = FeO + H2;
Me + CO2 = MeO + CO;
Me + H2O = MeO + H2
Особенно активно процесс взаимодействия металла с кислородом проходит в капле и головной части ванны. Часть продуктов окисления поступает в шлак, а часть в виде оксидных дисперсных включений, различных по форме и размерам, остаётся в металле. Присутствие кислорода в металле шва, особенно в виде дисперсных остроугольных включений, ухудшает его механические свойства, главным образом пластические характеристики. Относительное удлинение может снижаться на 30…40%, ударная вязкость – на 40…80%. Считается, что оксидные включения, располагаясь по границам зёрен, способствуют зарождению микротрещин и этим снижают деформационную способность металла.
Окисление содержащихся в стали легирующих элементов, их выгорание дополнительно ухудшает свойства сварного соединения, а наличие повышенного количество кислорода в металле может привести к образованию пор вследствие развития в кристаллизующейся части сварочной ванны реакции окисления углерода.
Поэтому возникает необходимость в освобождении расплава от кислорода. Такой операцией является раскисление. Общее содержание кислорода в раскисленном металле шва соединений из низкоуглеродистых сталей не превышает 0, 030…0, 035% (в нераскисленном металле шва его содержание может достигнуть 0, 5…0, 7%).
|
|
|
Взаимодействие с азотом. Присутствие азота в газовой фазе является результатом попадания в зону дуги воздуха, в котором находится 75, 5% азота. Соприкасаясь с расплавленным металлом, находящийся в атомарном и молекулярном состоянии, азот растворяется в нём. Поскольку азот растворяется, как и другие газы, только в виде атомов, растворение его молекулярной формы происходит после предварительной диссоциации молекул непосредственно на поверхности расплава.
Растворимость азота газовой фазы пропорциональна его парциальному давлению (части общего давления, производимого газовой смесью, которая приходится на долю данного газа) и степени термической диссоциации.
При дуговой сварке с применением покрытых электродов усиливающее влияние на растворимость азота в расплавленном железе может оказывать присутствующий в газовой фазе кислород, который образует с азотом его оксид NO. Встречаясь с имеющим заметно более низкую температуру металлом, оксид азота диссоциирует на его поверхности с образованием активного, хорошо растворимого атомарного азота. Активность атомов газов, образующихся при разложении многокомпонентных молекул (NO), выше активности атомов чистых двухатомных газов (N2).
Определённое влияние на растворимость азота в стали оказывают и находящиеся в ней легирующие элементы. Так, марганец, ванадий, ниобий и хром повышают растворимость азота в жидком металле, а углерод, кремний и никель снижают её.
С повышением температуры растворимость азота в металле растёт. При этом при температуре плавления металла и изменении типа решётки растворимость меняется скачкообразно. Максимальная растворимость азота наблюдается при температуре 2200… 2400оС и составляет 0, 06%.
При ручной дуговой сварке в высокотемпературной части ванны и каплях может иметь место значительное насыщение расплавленного металла содержащимся в газовой фазе азотом. При охлаждении расплава за счёт снижения растворимости происходит значительное перенасыщение сварочной ванны азотом во всём её объёме, тем самым создаются предпосылки для выделения газа в виде пузырьков и, как следствие, для возможного образования пор.
|
|
|
Другой негативный момент повышенного содержания азота в расплавленном металле: при температуре ниже 590оС азот, кроме раствора, образует с железом твёрдое и хрупкое химическое соединение – нитрид FeN, при этом растворимость азота в железе становится чрезвычайно малой. При температуре 590оС она составляет 0, 1%. При температуре 200оС – не превышает 0, 005%. Это приводит к тому, что даже при умеренном содержании азота в расплавленном металле (и в шве) можно ожидать получение сварных соединений с пониженными пластическими свойствами. Причиной этого является выделение FeN либо при сварке, либо в течение некоторого времени после завершения сварочных работ в результате распада перенасыщенного твёрдого раствора азота в железе (старение). Особенно резко, в 3…5 раз, снижается ударная вязкость. Подогрев стали до температуры 200…400оС интенсифицирует процесс старения.
Единственным путём снижения концентрации азота в металле является повышение надёжности защиты зоны сварки от влияния воздуха:
- сварку ручными электродами вести короткой или предельно короткой дугой;
- не допускать выполнения сварочных работ при скорости воздушного потока в месте сварки более 10 м/с;
- сборку тавровых соединений производить с минимальным зазором между деталями.
Содержание азота в металле швов при ручной дуговой сварке составляет 0, 01-0, 03%.
Взаимодействие с водородом. Источником водорода газовой фазы являются попадающая в зону дуги влага (атмосферная, содержащаяся в электродном покрытии и в ржавчине Fe(OH)3, находящаяся на кромках свариваемых деталей), а также содержащиеся в покрытии углеводы (целлюлоза C6H10O5, карбоксиметилцеллюлоза КМЦ, древесная мука). При высоких температурах сварки влага, превращающаяся в водяной пар, диссоциирует и реагирует с железом, ферросплавами и другими металлами с образованием водорода, кислорода, оксидов металлов. Высокотемпературный распад углеводов также сопровождается выделением водорода. Таким образом, водород всегда присутствует в газовой фазе, как в молекулярном, так и в атомарном состоянии (в большей степени, чем азот).
|
|
|
Особенно активно поглощение водорода расплавленным металлом происходит на стадии формирования и переноса через дуговое пространство электродных капель, имеющих более развитую поверхность и более высокую температуру разогрева по сравнению с металлом сварочной ванны. Характер изменения растворимости молекулярного водорода в железе аналогичен зависимости для азота. Максимальная растворимость водорода в железе, равная 42, 5 мл/100г, наблюдается при температуре 2400…2500оС.
На растворимость водорода в жидких сталях влияют содержащиеся в них легирующие элементы и кислород. Титан, цирконий, ванадий повышают растворимость, а углерод, кремний и алюминий – понижают её. Однако влияние этих элементов проявляется лишь при повышенных концентрациях, часто не свойственных углеродистым и низколегированным сталям.
Кислород весьма существенно снижает растворимость водорода в жидком железе, углеродистых и низколегированных сталях. При температуре 1610оС с ростом содержания кислорода с 0, 01% до 0, 1% растворимость водорода в железе убывает с 24, 4 мл/100г до 14, 8 мл/100г. Титан, кремний, марганец и алюминий, раскисляя сталь, могут оказывать косвенное влияние на растворимость в ней водорода.
Специфика дуговой сварки, связанная с нагревом металла головной части ванны и капель электродного металла до чрезвычайно высоких температур, а также большой степенью диссоциации водорода в зоне дуги, приводит к тому, что при определённом содержании водорода в газовой фазе расплавленный металл насыщается водородом до весьма больших концентраций. При охлаждении такого расплава в результате снижения растворимости наступает значительное перенасыщение металла водородом, приводящее к бурному выделению последнего в виде пузырьков, что способствует появлению пористости в шве.
Часть водорода, не успевшая выделиться из расплава, после кристаллизации остаётся в металле в следующих состояниях:
- диффузионно-подвижный водород – водород, находящийся в твёрдом растворе внедрения до предела и сверх предела растворимости. Он способен к диффузионному перемещению в кристаллической решётке при появлении градиентов концентрации, температур, напряжений, растворимости. В некоторых случаях диффузионно-подвижным становится атомарный водород, скопившийся в дефектах решётки (субмикроскопических «ловушках»);
- остаточный водород – водород, не способный к диффузии в металле, к нему относится молекулярный водород, скопившийся в микро- и макронесплошностях.
|
|
|
При определённых условиях, например при сварке высокопрочных сталей без подогрева, повышенная концентрация диффузионного водорода в металле шва может привести к образованию холодных трещин в ЗТВ.
При ручной дуговой сварке обязательно необходимо применять меры, предупреждающие чрезмерное насыщение расплавленного металла водородом, главным образом за счёт исключения попадания в зону сварки влаги (прокалка электродов перед сваркой, грамотное хранение электродов после термообработки, очистка свариваемых кромок от ржавчины, влаги и других загрязнений).
Снижение концентрации водорода в расплаве также возможно путём его связывания непосредственно в газовой фазе, например, введением в состав электродного покрытия плавикового шпата CaF2, который при образовании шлаковой фазы активизирует прохождение реакции с кремнезёмом SiO2:
2CaF2 + 3SiO2 = 2CaSiO3 + SiF4;
SiF4 + 3Н = SiF + 3НF
Фтористый водород НF – химически прочное при высоких температурах и нерастворимое в металле газообразное соединение, которое покидает зону сварки и удаляется в атмосферу.
В сварных швах, полученных при ручной дуговой сварке электродами с основным покрытием, содержащим CaF2, концентрация диффузионного водорода не превышает 15 мл/100г, в особо ответственных сварных соединениях – 5 мл/100г.
|
|
|
