1.3. Особенности формирования химического состава металла шва

Химический состав металла шва определяется химическим составом свариваемого металла, электродной (присадочной) проволоки и физико-химическими процессами, протекающими в сварочной ванне.

В условиях высокой температуры электрической дуги и металла сварочной ванны происходит диссоциация молекул газов - кислорода, азота и водорода, а также химических соединений - углекислого газа и паров воды с образованием атомарного кислорода, азота, водорода и углерода, которые становятся весьма активными и реагируют с металлом. Так, при сварке сталей кислород, взаимодействуя с железом, образует оксиды РеО, Ре3О4, Ре2О3. Наиболее опасным для качества шва является оксид РеО, способный растворяться в жидком металле. После остывания шва ввиду невысокой температуры затвердевания РеО остаётся в нём в виде выделений по границам зёрен, что сильно снижает пластичность шва. Чем больше кислорода в шве находится в виде РеО, тем хуже его механические свойства. Высшие оксиды Ре3О4 и Ре2О3 не растворяются в жидком металле и всплывают на поверхность сварочной ванны в виде шлака.

Кроме железа окисляются и другие легирующие элементы стали, например марганец, кремний, углерод:

Мп + О -> МпО,

51 + 2О -> ЗЮ2, С + О -> СО.

В сварочной ванне легирующие элементы могут окисляться и взаимодействуя с оксидом РеО:

Мп + РеО <-> МпО + Ре, 31 + 2РеО <-> 8Ю2 + 2Ре,

С + РеО <-» СО + Ре.

Окисление этих элементов приводит к уменьшению их содержания в металле шва. Кроме того, образующиеся оксиды могут оставаться в шве в виде различных включений или пор (СО), значительно снижающих механические свойства сварных соединений.

Поэтому одним из условий получения доброкачественного металла шва является предупреждение его окисления, в первую очередь путём создания различных защитных сред. Однако принимаемые при сварке защитные меры не всегда обеспечивают отсутствие окисления расплавленного металла. В этом случае металл шва требуется раскислить. Раскислением 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

V РеО + Ме 4-» Ре + МеО,

где Ме раскислитель.

Раскислителем является элемент, обладающий в условиях сварки большим сродством к кислороду, чем железо. В качестве раскислителей применяют кремний, марганец, титан, алюминий. Раскислители вводят в сварочную ванну с электродной проволокой, покрытия-ми электродов, флюсами.

Азот; воздуха, попадая в столб дуги, диссоциирует и, находясь в атомарном состоянии, растворяется в жидком металле. В процессе охлаждения азот выпадает из раствора и взаимодействует с железом, образуя нитриды Ре2М, Ре4Ы. Содержание азота в металле шва вредно влияет на его механические свойства, особенно пластичность. Кроме того, насыщение металла азотом способствует образованию газовых пор.

Водород в зону сварки попадает из влаги покрытия электрода или флюса, ржавчины на поверхности сварочной проволоки и детали, из воздуха. Атомарный водород хорошо растворяется в жидком металле. При охлаждении и особенно кристаллизации сварочной ванны растворимость водорода резко (скачкообразно) уменьшается. Выделившийся водород не успевает полностью удалиться из металла шва, и образуются газовые поры. Кроме того, атомы водорода, диффундируя в имеющиеся полости, приводят к повышению в них давления, развитию в металле внутренних напряжений и образованию микротрещин.