Особенности металлургических процессов, протекающих в сварочной ванне, взаимодействие жидкого металла сварочной ванны с кислородом, азотом, водородом воздуха

Взаимодействие кислорода с расплавленным металлом сварочной ванны. В зоне сварочной дуги имеются газовая, шлаковая и металлическая фазы.

При изучении реакций, протекающих в сварочной ванне, следует учитывать возможность окисления жидкого металла свободным (молекулярным и атомарным) кислородом газовой фазы, кислородом, находящимся на свариваемых кромках в виде окислов и шлаков, и кислородом, растворимым в металлической ванне и химически активных шлаках, которые вступают в процессе сварки в обменные окислительные и восстановительные реакции с металлом сварочной ванны. Находящийся в газовой фазе молекулярный и атомарный кислород соединяется с металлом сварочной ванны.

Железо с кислородом образует три соединения (оксида), имеющих весьма важное значение в металлургических процессах, происходящих при сварке плавлением: оксид железа FeO, содержащий 22,27% О₂, оксид железа Fe₃O₄, содержащий 27,64% O₂, оксид железа Fe₂O₃, содержащий 30,06% O₂.

Из всех трех оксидов растворим в железе только FeO. Остальные оксиды в железе практически нерастворимы и на его свойства влияния почти не оказывают. Однако окалина и ржавчина на свариваемых кромках, содержащие высшие оксиды, свободным железом могут раскисляться по реакциям Fe₃O₄+Fe=4FeO, Fe₂O₃+Fe=3FeO.

Образующийся оксид, железа растворяется частично в шлаке и частично в расплавленном металле, вследствие чего в сварном шве образуются поры. В твердом железе растворимость кислорода невелика.

Для уменьшения растворимости оксида в металле необходимо иметь соответственно более низкую концентрацию оксида в шлаке, в результате он будет стремиться перейти из металла в шлак. Наоборот, более высокая концентрация оксида в шлаке способствует его переходу в металл. Металл может окисляться и под действием химически активных (по кислороду) оксидов, например кремния и марганца: SiO₂+2Fe_ж=2FeO+[Si]; MnO+Fe_ж=FeO+[Mn], где индекс «ж» указывает, что Fe находится в виде расплава, а знак [ ], что элемент растворен в металлической фазе.

При наличии в газовой фазе сложных газов, таких, как, например, СO₂ и Н₂O, которые при диссоциации выделяют кислород, также происходит окисление металла сварочной ванны.

Если жидкий металл содержит элементы-раскислители, которые имеют большее сродство к кислороду, чем металл сварочной ванны, то в этом случае концентрация кислорода в сварочной ванне может быть значительно уменьшена за счет элементов раскислителей.

Источниками кислорода и водорода являются воздух, флюсы, защитные газы, а также оксиды, поверхностная влага и другие загрязнения основного и присадочного металла. Азот попадает в зону сварки главным образом из воздуха. Характер взаимодействия газов с различными металлами различен.

Свойства металла шва в большей степени определяются процессами окисления и раскисления, которые происходят в сварочной ванне при взаимодействии газовой и шлаковой фаз с жидким металлом. В сварочной ванне в зоне высоких температур происходит распад молекул газа на атомы (диссоциация).

Активность газов в атомарном состоянии резко повышается. Находящийся в газовой фазе молекулярный и атомарный кислород соединяется с металлом сварочной ванны. Одновременно происходит окисление примесей и легирующих элементов, содержащихся в металле. В первую очередь окисляются элементы, обладающие большим сродством к кислороду. Железо с кислородом образует три соединения: оксид FeO, содержащий 22,7% О₂, оксид Fe₃О₄, содержащий 27,64% О₂, и оксид Fe₂О₃, содержащий 30,06% O₂. Из всех трех оксидов растворимы в железе FeO и Fe₃О₄. В твердом железе растворимость кислорода невелика. Если жидкий металл имеет элементы раскислители, которые имеют большее сродство к кислороду, чем металл сварочной ванны, то в этом случае концентрация кислорода в сварочной ванне может быть значительно уменьшена за счет элементов раскислителей.

Водород также растворяется в большинстве металлов. Он может находиться в составе газовой фазы в молекулярном или атомарном состоянии, это зависит от температуры. При более высоких температурах молекулярный водород диссоциируетна атомарный и ионизированный. Водород - вредная примесь, так как является причиной пор, микро- и макротрещин в шве и зоне термического влияния. Применяются два способа борьбы с водородом: физический - это защита сварочной ванны от компонентов, содержащих водород (сушка, прокалка материалов, удаление ржавчины и др.).