Каковы особенности металлургических процессов при газовой сварке?

В процессе сварки расплавленный металл сварочной ванны взаимодействует со сварочным пламенем. Это взаимодействие обусловлено свойствами свариваемого металла и составом сварочного пламени. Сварочная ванна характеризуется малым объемом расплавленного металла, высокой температурой в месте сварки и большой скоростью расплавления и кристаллизации металла.

Сварку производят восстановительной зоной пламени, состоящей в основном из окиси углерода и водорода. Расплавленный металл ванны вступает во взаимодействие с газами сварочного пламени, в результате чего происходят реакции окисления и восстановления. Взаимодействие газов с различными металлами различно. Наиболее легко окисляются металлы, обладающие большим сродством к кислороду. Окисление расплавленного металла происходит как за счет окислов, находящихся на поверхности свариваемого металла и присадочной проволоки, так и за счет кислорода окружающего воздуха. С увеличением содержания кислорода в свариваемом металле ухудшаются механические свойства сварного соединения. Поэтому при газовой сварке большинства металлов и сплавов для устранения окислительных процессов в присадочные материалы и флюсы вводят специальные раскислители.

Раскислители – это такие вещества, которые имеют большее сродство к кислороду, чем металл шва. При сварке стали раскисляющее действие оказывают углерод, окись углерода и водород, образующийся при горении газовой смеси, подаваемой в сварочную горелку. Поэтому углеродистые стали можно сваривать без флюсов.

В процессе  сварки окисление железа кислородом идет по следующей реакции:

2Fе + О₂ ↔ 2FеО.

Закись железа (FeO) растворяется в расплавленном металле и взаимодействует с элементами, находящимися в сварочной ванне. В первую очередь закись железа вступает во взаимодействие с углеродом, кремнием, марганцем и окисляет их:

FеО + С ↔ Fe + СО,

2FeO + Si ↔ 2Fe +SiO₂,

FеО + Мn ↔ Fe + МnО.

Таким образом, углерод, кремний и марганец выполняют функции раскислителя.

Образующаяся в процессе реакции окись углерода вызывает кипение и разбрызгивание металла. Кипение сварочной ванны до начала кристаллизации способствует удалению посторонних металлических включений. Если металл кипит во время кристаллизации шва, то образующиеся пузыри окиси углерода не успевают выделяться и остаются в шве в виде газовых пор. Для уменьшения образования окиси углерода в сварочную ванну вводят раскислители (марганец и кремний).

Большое влияние при сварке металлов на процесс окисления оказывает состав сварочного пламени.

Образующиеся в процессе реакций окиси кремния и марганца не растворяются в металле, всплывают на поверхность жидкого металла и переходят в шлаки. В жидком металле шва находится много разнородных окислов, между которыми происходят химические реакции. В результате этих реакций образуются соединения с более низкой температурой плавления, чем сами окислы, что облегчает удаление окислов из расплавленного металла в виде шлака. При сварке меди, алюминия, латуни и других металлов вводят флюсы, в состав которых входят компоненты, способствующие образованию легкоплавких соединений. Раскисление сварочной ванны частично осуществляется углеродом, окисью углерода и водородом, имеющимися в сварочном пламени. При этом сварочное пламя не только восстанавливает окислы, но и защищает расплавленный металл от кислорода и азота воздуха.

Нормальное ацетилено-кислородное пламя в средней (восстановительной) зоне содержит 60% окиси углерода, 20% молекулярного и 20% атомарного водорода. Восстановителем железа из закиси железа в основном является атомарный водород. Он растворяется в расплавленном металле, а с понижением температуры стремится выделиться из сварочной ванны. Если затвердение происходит достаточно быстро, то водород в виде газовых пузырей может остаться в сварном шве.

Следовательно, водород, с одной стороны, защищает расплавленный металл от окисления, а также восстанавливает его из окислов, а с другой – может явиться причиной образования пористости и трещин. Процесс газовой сварки характеризуется относительно медленным охлаждением металла, поэтому водород и другие газы успевают выделиться из сварочной ванны, и металл шва получается без пор. Поступающий в сварочную ванну азот воздуха снижает пластические свойства свариваемого металла, а также вызывает пористость в металле шва.