Особенности металлургических процессов при газовой сварке: окислительно-восстановительные реакции в жидком металле

В процессе сварки расплавленный металл сварочной ванны взаимодействует со сварочным пламенем. Это взаимодействие определяется свойствами свариваемого металла и составом сварочного пламени. Сваривают восстановительной зоной пламени, состоящей в основном из оксида углерода и водорода. Сварочная ванна характеризуется малым объемом расплавленного металла, высокой температурой в месте сварки и большой скоростью расплавления и кристаллизации металла.

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 оксидов, 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 для 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, оксид углерода и водорода, образующиеся 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

2Fe+O2↔2FeO

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

FeO+C↔Fe+CO

2FeO+Si↔2Fe+SiO2

FeO+Mn↔Fe+MnO

Таким образом, С, Si и Мп выполняют функции раскислителей. Образующийся в процессе реакции оксид 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 оксида углерода не успевают выделяться и остаются в шве в виде газовых пор. Для уменьшения образования оксида углерода в сварочную ванну вводят раскислители (Мп и Si). На процесс окисления при сварке металлов большое влияние оказывает состав сварочного пламени. Образующиеся в процессе реакций оксиды кремния и марганца не растворяются в металле, всплывают на поверхность жидкого металла и переходят в шлаки. В жидком металле шва находится много разнородных оксидов, между которыми происходят химические реакции. В результате этих реакций образуются соединения с более низкой температурой плавления, чем сами оксиды, что облегчает удаление оксидов из расплавленного металла в виде шлака.

При сварке Аl, латуни и других металлов вводят флюсы, в состав которых входят компоненты, способствующие образованию легкоплавких соединений. Раскисление сварочной ванны частично осуществляется углеродом, оксидом углерода и водородом, имеющимися в сварочном пламени. При этом сварочное пламя не только восстанавливает оксиды, но и защищает расплавленный металл от кислорода и азота воздуха. Нормальное ацетиленокислородное пламя в средней (восстановительной) зоне содержит 60% оксида 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 затвердевание 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 оксидов, а с другой стороны, может явиться причиной образования пористости и трещин.

Рисунок 7.Схема химической неоднородности по слоям кристаллизации в сварных швах

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.

Процесс образования сварного соединения начинается с нагрева и расплавления основного и присадочного металлов. Кристаллизацией называется процесс образования зерен из расплавленного металла при переходе его из жидкого состояния в твердое. Процесс кристаллизации сварных швов отличается от кристаллизации слитков высокими скоростями. Различают первичную и вторичную кристаллизации. Первичная кристаллизация осуществляется при высоких скоростях охлаждения, вторичная начинается с распада первичной в результате структурных превращений и заканчивается при низких температурах. Как и во всех случаях сварки, плавлением кристаллизация металла шва осуществляется на зернах основного металла. Более медленный прогрев при газовой сварке основного металла приводит к большему росту зерен нерасплавленных кромок металла а, следовательно, и уменьшению количества центров кристаллизации формирующегося шва. Процесс кристаллизации сварных швов осуществляется прерывисто, этим и объясняется появление кристаллизационных слоев. Чем сильнее тепло-отвод и меньше объем жидкого металла, тем тоньше кристаллизационный слой. Кристаллизационные слои можно рассмотреть на специально изготовленных макрошлифах в любом сечении шва. Первый участок возникает в результате кристаллизации тонкой прослойки жидкого металла, примыкающей к оплавленной поверхности. Второй участок кристаллизуется из жидкого металла исходного материала.

Окисление стали кислородом сильно ухудшает ее механические и технологические свойства (ковкость, коррозионную стойкость, и т. п.), и поэтому кислород является вредной примесью.

Азот поступает в расплавленный при сварке металл из окружающего воздуха. Он растворяется в металле, образуя химические соединения – нитриды железа (Fe₂N и Fe₄N). Нитриды железа образуются при быстром охлаждении ванны и остаются в шве. Могут образовываться нитриды других металлов, входящих в состав стали (марганца, титана и др.).

Азот может растворяться в железе при высокой температуре и без образования нитридов, что вызывает появление газовых пор в сварочном шве. Азот существенно влияет на свойства металла шва, увеличивая его прочность, но уменьшая пластичность и ударную вязкость. При сварке сталей азот является вредной примесью, так как он вызывает склонность металла к старению, хладноломкости и синеломкости, увеличивает способность к закалке, понижает магнитную проницаемость и т. п.

Водород, так же как кислород и азот, растворяется в растворенном при сварке металле. Он попадает в металл из воздуха, содержащего пары воды, из влаги покрытий электрода, из ржавчины, находящейся на поверхности металла изделия и электродов. При высокой температуре влага превращается в пар и диссоциируется с поглощением тепла Q:

2H₂O 2H₂+O₂ – Q

2H₂O 2OH+H₂ – Q

С началом кристаллизации ванны растворимость водорода резко падает, атомарный водород выделяется по реакции

2H H₂+Q

Образуя молекулярный водород, который нерастворим в стали и уходит в шлак и атмосферу. Однако скорость кристаллизации может препятствовать удалению всего водорода, и часть его остается в шве в виде наружных и внутренних пор.

Водород является вредной примесью в стали и при сварке следует избегать попадания влаги в шов, тщательно очищать поверхность металла от ржавчины и влаги и применять хорошо прокаленные электроды.

Еще для удаления водорода иногда прибегают выдерживанию сварных конструкций при комнатной температуре. Выдержка при температуре 250–300⁰С ускоряет процесс выделения водорода.