В низкоуглеродистой стали азота содержится до 0,006 %, в металле шва при сварке незащищенной дугой содержание азота достигает 0,02 %, а при сварке защищенной дугой – до 0,03 %. Азот является вредной примесью стали, так как, повышая прочность и твердость, он вместе с этим значительно снижает пластичность и вязкость металла. Устраняют влияние азота на качество сварного шва хорошей защитой зоны дуги от атмосферного воздуха. Кроме того, применяют сварочные материалы, содержащие алюминий, титан и другие элементы, которые образуют нитриды, выходящие в шлак или менее, чем азот, снижающие качество шва.
Водород в зоне сварки образуется во время диссоциации водяных паров при высоких температурах дуги. Пары воды попадают в зону дуги из влаги электродного покрытия или флюса, ржавчины и окружающего воздуха. Молекулярный водород распадается на атомарный, который хорошо растворяется в расплавленном металле.
Растворимость водорода в железе в значительной степени зависит от температуры металла. При температуре 2400 °C насыщение достигает максимального значения (43 см3 водорода на 100 г металла). При высоких скоростях охлаждения металла водород переходит из атомарного состояния в молекулярное, но полностью выделиться из металла не успевает. Это вызывает пористость и мелкие трещины. Снижение влияния водорода на качество сварного шва достигается сушкой и прокалкой материалов сварки, очисткой от ржавчины и защитой зоны дуги. Для получения сварного шва высокого качества необходимо принять меры по защите расплавленного металла сварочной ванны главным образом от воздействия кислорода, азота и водорода.
Защита сварочной ванны осуществляется созданием вокруг дуги газовой оболочки и шлакового слоя над ванной расплавленного металла. Однако эти меры полностью не предохраняют от насыщения металла кислородом, поэтому необходимо производить как раскисление металла, так и удаление образовавшихся оксидов из сварочной ванны.
Раскисление жидкого металла сварочной ванны производят, вводя него элементы, имеющие большое сродство к кислороду: алюминий, титан, кремний, углерод, марганец. Эти элементы вводят в сварочную ванну либо через электродную проволоку (присадочный металл), либо через электродное покрытие или флюсы.
Алюминий в качестве раскислителя применяется редко, так как он образует тугоплавкие оксиды и придает стали склонность к образованию трещин.
Титан является активным раскислителем и поэтому широко применяется в различных электродных покрытиях. Раскисление протекает по реакции:
2FeO + Ti = 2Fe + TiO2
Кроме того, титан образует нитриды, снижая содержание азота в металле.
Кремний очень хороший раскислитель и применяется в электродных покрытиях и флюсах в виде ферросилиция или кварцевого песка. Раскисление кремнием происходит по реакции:
2FeO + Si = 2Fe + SiO2
Кроме того, протекает реакция образования силикатов:
SiO2 + FeO = FeО × SiO2
Полученные оксиды и силикат оксида железа выходят в шлак.
Углерод образует с кислородом газообразный оксид углерода, который в стали не растворяется, а выделяется в виде пузырьков. При больших скоростях охлаждения оксид углерода не успевает выделиться из металла шва, образуя в нем газовые поры. Раскисление протекает по реакции:
FeO + С = Fe + СО
Для предупреждения пористости металла шва рекомендуется вводить в сварочную ванну кремний в таком количестве, чтобы подавить раскисляющее действие углерода.
Марганец является наиболее распространенным активным раскислителем. Он входит во многие электродные покрытия и флюсы. Раскисление происходит по реакции:
FeO + Мп = Fe + МпО
Оксид марганца, взаимодействуя с оксидом кремния, образует не растворяющийся в стали силикат оксида марганца:
МпО + SiO2 = MnO × SiO2
Марганец также способствует удалению серы из стали:
FeS + Мп = Fe + MnS
Сернистый марганец не растворяется в стали и выходит в шлак.
Для восстановления первичного химического состава металла, а в некоторых случаях и для улучшения механических свойств шва производят легирование наплавляемого металла. Цель легирования – восполнить выгорание основных примесей стали и ввести в металл шва элементы, придающие стали специальные качества. Легирующие элементы – кремний, марганец, хром, молибден, вольфрам, титан и др. – используют через электродное покрытие, в виде ферросплавов и электродного металла.
Кристаллизация металла сварочной ванны
Формирование сварного шва при дуговой сварке происходит путем кристаллизации расплавленного металла сварочной ванны.
Кристаллизацией называют процесс образования кристаллов металла из расплава при переходе его из жидкого в твердое состояние. Образующиеся при этом кристаллы металла принято называть кристаллитами. Кристаллизация металла сварочной ванны начинается у границы с нерасплавившимся основным металлом в зоне сплавления. Различают кристаллизацию первичную и вторичную.
Первичной кристаллизацией называют процесс перехода металлов и сплавов из жидкого состояния в твердое. У металлов, не имеющих аллотропических превращений, процесс затвердевания и охлаждения исчерпывается только первичной кристаллизацией. У металлов и сплавов, имеющих аллотропические формы или модификации, после первичной кристаллизации при дальнейшем охлаждении происходит вторичная кристаллизация металла в твердом состоянии при переходе из одной аллотропической формы в другую.
Первичная кристаллизация металла сварочной ванны протекает периодически, что обусловлено периодичностью снижения теплообмена и выделения скрытой теплоты кристаллизации. Это приводит к слоистому строению металла шва, к появлению зональной и дендритной ликвации. Толщина закристаллизовавшихся слоев зависит от объема сварочной ванны и скорости охлаждения металла и колеблется в пределах от десятых долей миллиметра до нескольких миллиметров (рис. 54, 55).
Зональная (слоистая) ликвация выражается неоднородностью химического состава металла шва в периферийной и центральной зонах. Это является следствием того, что металл периферийных зон затвердевает раньше и поэтому содержит меньше примесей. Металл центральной зоны шва оказывается более обогащенным примесями.
Дендритная ликвация характеризуется химической неоднородностью кристаллитов.
Первые кристаллиты (центральные и начальные части дендритов) содержат меньше примесей, а междендритное пространство оказывается более загрязненным примесями. Улучшая условия диффузии ликвирующих примесей в твердом металле, можно значительно снизить как слоистую, так и дендритную ликвацию. Например, увеличивая скорость охлаждения металла, сокращают длительность двухфазного состояния металла сварочной ванны и этим снижают степень неоднородности состава жидкой и твердой фаз металла шва. Большое значение имеет температурный интервал начала и конца кристаллизации. Чем меньше температурный интервал кристаллизации, тем ниже уровень ликвации. В сталях низкоуглеродистых, имеющих температурный интервал кристаллизации 25–35 °C, ликвация незначительна. С увеличением содержания углерода в стали температурный интервал кристаллизации возрастает и степень ликвации повышается.
Рис. 54. Кристаллизационные слои в металле однопроходного сварного шва
Рис. 55. Схема роста кристаллитов:
1 – граница сплавления;
2 – зерна основного металла;
3 – кристаллизационные слои;
4 – растущие кристаллиты
Вторичная кристаллизация металла происходит при дальнейшем охлаждении твердого металла в виде изменений форм зерен при аллотропических изменениях в металле шва. Она в значительной степени зависит от химического состава металла, скорости охлаждения, других факторов.
Теплота, выделяемая дугой при сварке, распространяется на основной металл. При этом по мере удаления от границы сплавления скорость и максимальная температура нагрева металла снижаются. Вследствие этого в зоне основного металла в зависимости от температуры нагрева происходят фазовые и структурные изменения, которые влияют на прочность сварного соединения.
Зону основного металла, прилегающую к сварочной ванне, называют зоной термического влияния (рис. 56).
Участок неполного расплавления 1 является важным участком зоны, так как здесь происходит сращивание основного и наплавленного металлов и образование общих кристаллов. Участок представляет собой узкую полосу, измеряемую десятыми, а иногда и сотыми долями миллиметра в зависимости от способа сварки.
