Металлургические процессы в сварочной ванне

Размеры и время существования сварочной ванны могут сильно изменяться в зависимости от способа и режима сварки; в то же время эти два фактора имеют важнейшее значение с точки зрения полноты проходящих химических реакций, очистки жидкого металла от газов и шлаков, формирования шва.
Необходимо учитывать различие в степени участия основного и электродного металла в формировании шва в зависимости от способа сварки. Так, при ручной сварке доля участия основного металла в формировании шва не превышает 30-35%, а при автоматической и полуавтоматической сварке обычно составляет 50%, но может увеличиваться и до 70%. Количество и состав шлаков при ручной сварке и при сварке под флюсом различны.
При ручной сварке капли из дугового промежутка, двигаясь с большой скоростью, погружаются в сварочную ванну, перемешиваются в ней с металлом и перемещаются от дугового пятна назад и в стороны. При движении капель в ванне происходит разделение металла и шлака вследствие разрушения шлаковых оболочек из-за значительного газообразования внутри капель и разницы в удельном весе металла и шлака. Весь металл в ванне энергично перемешивается и выделяющиеся нерастворимые газы удаляются в атмосферу.
В сварочной ванне продолжаются интенсивные окислительно-восстановительные реакции с образованием легкоплавких шлаков, всплывающих на поверхность шва и создающих шлаковый покров.
Кроме того, происходит очищение металла ванны от серы. Основное значение металлургических реакций в сварочной ванне — раскисление металла шва и очищение его от вредных примесей и газов. Указанные процессы в полной мере заисят от состава толстого покрытия электрода, чистоты свариваемых кромок, влажности кромок и покрытия электрода, размеров и времени существования сварочной ванны.
Наилучшим образом раскисляют и очищают металл шва электроды, содержащиe в покрытии большой процент мрамора (СаСО3) и значительный процент ферросплавов. При наличии на кромках окалины в сварочную ванну попадает кислород, что вызывает интенсивное образование FeO, в свою очередь, приводящее к выгоранию углерода и возможному образованию пор в шве. Влажность кромок или покрытия и наличие ржавчины приводят к окислению металла шва и насыщению его водородом по реакции Fe + H2O = FeO + 2H.
О вредной роли закиси железа и водорода говорилось ранее. Таким образом, для обеспечения качества сварки важное значение имеют чистота и сухость свариваемых кромок и отсутствие влаги в покрытии электродов.
При сварке под флюсом дуга горит в газовом пузыре, закрытом оболочкой расплавленного флюса и слоем гранулированного (насыпного) флюса. Для металлургических процессов, протекающих при сварке под флюсом, характерна более эффективная защита зоны сварки от действия воздуха, больший объем сварочной ванны и лучшая очистка металла ванны от газов и шлаков, а также наличие определенной зависимости между режимом сварки и химическим составом металла шва. Указанные обстоятельства обеспечивают достаточно высокую прочность металла шва при значительно меньшем его легировании, чем в процессе ручной сварки.
В связи с тем, что температурный режим под флюсом в разных частях зоны сварки различен, металлургические процессы в них протекают по-разному. Условно зону сварки делят на две области: 1) область высоких температур вблизи дуги, где плавится металл и флюс, и 2) более холодная — в задней части ванны, где происходит остывание и ванны, и шлака. Как показали опыты, с флюсом в наибольшей степени взаимодействует электродный металл; поэтому при постоянных химических составах флюса и основного электродного металла, но при разных режимах сварки, химический состав металла шва меняется.
Так, с увеличением длины дуги и напряжения увеличивается и количество расплавляемого флюса, а следовательно, усиливается взаимодействие жидкого флюса и металла.
При укорочении дуги и увеличении силы тока количество расплавляемого флюса уменьшается и металлургические реакции идут в меньшем объеме и менее полно. Химический состав шва приближается к исходному составу стали и проволоки.
Этому способствуют более глубокое проплавление основного металла и уменьшение доли участия электродного металла в шве, что уменьшает взаимодействие металла с флюсом. Атмосфера дуги при сварке под флюсом состоит в основном из окиси углерода и водорода, паров флюса и металла. Многие из этих газов благодаря высокой температуре находятся в диссоциированном состоянии.
Избыток атомарного водорода в дуге приводит к насыщению им металла шва, что вызывает пористость шва. В связи с этим возникает необходимость предотвратить растворение водорода в сварочной ванне, для чего главным образом применяется фтор, который связывает водород в нерастворимый в металле фтористый водород по реакции CaF2 + H — CaF + HF.
При наличии во флюсе большого количества SiO2 в зоне высоких температур из CaF2 образуется летучее соединение. Оно связывает водород. Химический состав металла шва зависит не только от реакции в столбе дуги, но и от реакций, происходящих между шлаком и металлом в сварочной ванне. Основными из них являются кремне- и марганцевосстановительные процессы. Вблизи дуги в области высоких температур эти реакции идут справа налево, т. е. происходит восстановление кремния и марганца и частичное легирование металла шва этими элементами. Однако следует подчеркнуть, что основной процесс легирования проходит ранее, еще в каплях электродного металла. Во второй, остывающей части ванны при бэлее низких температурах реакции идут слева направо и происходит восстановление железа с образованием легкоплавкого шлака в виде комплексных соединений (шлаков), всплывающих на поверхность ванны и образующих шлаковую корку.
При недостаточном содержании Мn и Si может происходить раскисление железа углеродом, однако эта реакция, приводящая к пористости шва, подавляется кремнием, вводимым в металл шва в пределах 0,20 — 0,30%.
Реакция очищения сварочной ванны от серы происходит за счет марганца.
Обычно флюсы не могут усваивать фосфор, так как при относительно низкой концентрации кислорода в сварочной ванне фосфорный ангидрид разрушается по реакции P2O5 + 5Fe — 2P + 5FeO.
Вследствие этого фосфор не может быть связан в нерастворимые соединения, переходящие в шлак, и попадает непосредственно в металл шва. В связи с этим при сварке под флюсом строго ограничивается содержание фосфора в присадочных материалах — проволоке и флюсе. Таким образом, при сварке под флюсом химический состав металла шва регулируется соответствующим подбором сварочной проволоки и флюса, а также режима сварки.
При сварке в среде аргона процессы в сварочной ванне зависят от химического состава основного и присадочного металла. При сварке неплавящимся (вольфрамовым) электродом без присадочного прутка (тонкий металл) получается металл шва, по составу близкий к основному, так как в процессе сварки происходит только переплавление основного металла в нейтральной среде аргона, не растворяющегося в жидком металле. Сварка тонкого металла производится при малых сварочных токах, и поэтому сколько-нибудь значительного испарения компонентов не происходит.
При сварке неплавящимся электродом с подачей присадочного прутка в сварочную ванну могут попасть небольшие количества азота и кислорода из воздуха (за счет адсорбции этих газов поверхностью прутка). Эти газы могут привести к образованию в ванне нитридов и окислов, которые остаются в шве и могут заметно снизить пластические свойства металла (например, при сварке титана и его сплавов). В том случае, когда сварка ведется плавящимся электродом, возможно более интенсивное испарение компонентов в дуге, а также некоторое окисление металла за счет небольших примесей кислорода в аргоне или на поверхности проволоки (это наиболее существенно для химически высокоактивных металлов — алюминия и титана). В связи с этим присадочная проволока обычно имеет повышенное содержание элементов-раскислителей и элементов, компенсирующих угар.
Основные металлургические процессы в сварочной ванне — образование растворов (в отдельных случаях — химических соединений), взаимная диффузия и очищение ванны от газов. При сварке в среде углекислого газа положение изменяется, так как защитный газ может растворяться в жидком металле, а в ванну может попадать из воздуха некоторое количество кислорода и влаги. В результате наряду с потерей отдельных легирующих элементов в сварочной ванне металл ванны может быть сильно насыщен окисью углерода (при большом содержании углерода), либо парами воды и водородом (при малом содержании углерода). В обоих случаях металл шва будет пористым.
Повышенная склонность к пористости металла шва — основное осложнение при сварке в среде СО2. Применение обычных электродных проволок (Св08, Св08А) и даже проволок с повышенным содержанием раскислителей (Св10ГС) не гарантирует получения металла шва без пор. Только разработанные в ЦНИИТМАШ (Центральный научно-исследовательский институт техно- и машиностроения) специальные марки электродных проволок — Св08ГС и Св08Г2С, содержащие достаточное количество раскислителей, позволяют успешно вести сварку в среде СО2 углеродистых и низколегированных судостроительных сталей без образования пор.