Учебное пособие

Глава 9. Основы сварки стали

Взаимодействие расплавляемого при сварке металла с газами

Кислород — наиболее активный после фтора газ. Он поступает в зону сварки из воздуха, из электродных покрытий и из расплавляемого металла, покрытого даже незначительной ржавчиной. При высокой температуре дуги кислород почти полностью диссоциирует на атомы и интенсивно окисляет расплавленный металл, соединяясь с железом и другими элементами, входящими в состав стали. Из трех оксидов, которые образуются в результате окисления железа: FeO — закиси, Fе₃O₄ — закиси-окиси и Fe₂O₃ — окиси — наиболее опасной оказывается FeO, которая растворяется в расплавленном металле и поэтому влияет на его свойства.

При температуре 2300 °С растворимость составляет 8,5%, при температуре 1520 °С она снижается до 0,83 %, что составляет 0,18 % чистого кислорода в стали. При сварке электродами, не покрытыми защитной обмазкой, в металле затвердевшего шва остается 0,2—0,7 О₂. Наряду с железом кислород окисляет полезные примеси, находящиеся в стали (марганец, кремний, углерод и другие):

Это окисление может происходить также путем взаимодействия FeO с указанными элементами, например, по формуле

Окисление стали кислородом сильно ухудшает ее механические (рис. 9.2) и технологические свойства (ковкость, коррозионную стойкость и т. п.), и поэтому кислород является вредной примесью.

Рис. 9.2. Влияние кислорода на механические свойства стали

Азот поступает в расплавляемый при сварке металл из окружающего воздуха. Он растворяется в металле, рбразуя химические соединения — нитриды железа (Fe₂N и Fe₄). Нитриды железа образуются при быстром охлаждении ванны и остаются в шве. Могут образовываться нитриды других металлов, входящих в состав стали, марганца, титана и пр.

Азот может растворяться в железе при высокой температуре и без образования нитридов, что вызывает появление газовых пор в сварном шве. Азот существенно влияет на свойства металла шва (рис. 9.3), увеличивая его прочность, но уменьшая пластичность и ударную вязкость. Способность азота повышать прочность и влиять на повышение устойчивости аустенита используется иногда в высоколегированных сталях аустенитного класса, где его применяют в качестве легирующей добавки. Но при сварке всех других сталей азот является вредной примесью, так как, кроме ухудшения ударной вязкости KCU (КС — ударная вязкость, U — форма надреза образца для испытания) и δ₅, он вызывает склонность металла к старению, к хладноломкости и синеломкости, увеличивает способность к закалке, понижает магнитную проницаемость и т. п.

Рис. 9.3. Влияние азота на механические свойства стали

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

Водород содержится также в электродных покрытиях, в таких, как крахмал, целлюлоза и др., а также в самом металле. В небольших количествах он растворим в металле даже при комнатной температуре, однако с повышением температуры его растворимость растет и при переходе металла из твердого состояния в жидкое увличивается с 0,0007 (8 см³ на 100 г металла) до 0,0025 % (28 см³ на 100 г).

Во время сварки при наличии значительного количества водорода во влаге или в покрытии электродов увеличивается разбрызгивание, так как с понижением температуры растворенный в ванне водород бурно выделяется из металла, выызвая его кипение и разбрызгивание. С началом кристаллизации ванны растворимость водорода резко падает, атомарный водород выделяется по реакции

образуя молекулярный водород, который нерастворим в стали и уходит в шлак или атмосферу. Однако скорость кристаллизации может препятствовать удалению всего водорода, и часть его остается в шве в виде наружных и внутренних пор. Процесс выделения водорода из металла происходит и при комнатной температуре в атмосферу и в микроскопические полости, имеющиеся внутри металла. В результате образуются внутренние поры, в которых накапливается водород, создавая большое давление, что часто приводит к образованию микротрещин и, следовательно, к ухудшению прочностных характеристик наплавленного металла, особенно пластичности и ударной вязкости.

При изломе такого металла в нем обнаруживаются так на* зываемые «рыбьи глаза» в виде светлых пятен не-большого диаметра с маленькой полостью (порой) в середине. Наличие «рыбьих глаз» в изломе металла всегда свидетельствует о насыщении его водородом. Для удаления водорода иногда прибегают к выдерживанию сварных конструкций при комнатной температуре. Выдержка при температуре 250—300 °С ускоряет процесс выделения водорода. 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 электроды с хорошо прокаленным покрытием.

Некоторую отрицательную роль при сварке играет окись углерода СО. Она нерастворима в стали и, находясь в газовой среде, окружающей дугу, защищает расплавленный металл от воздуха. При образовании СО в самом металле по реакции

она действует как раскислитель металла, удаляющий кислород и восстанавливающий Fe из FeO, что сопровождается кипением ванны при сварке. Если не хватает других раскислителей, то СО может оказаться причиной пористости шва и ухудшения качества стали.

При сварке незащищенной дугой расплавляемый металл свободно контактирует с окружающим воздухом и насыщается кислородом и азотом, вследствие чего металл шва обладает низким качеством. Предел его прочности равен 34—38 МПа (для низкоуглеродистой стали), относительное удлинение — 3—8% и ударная вязкость KCU=5—15 Дж/см². Поэтому сварку незащищенной дугой не применяют, а для защиты расплавляемого металла от воздуха и для улучшения качества, а также технологических свойств процесса сварки электроды покрывают специальной обмазкой. Кроме того, применяют защитные газы: аргон, гелий и др.