С водородом

В газовой фазе, контактирующей с жидким металлом сварочной ванны, водород может присутствовать в достаточно высоких концентрациях [5].

Источниками водорода в газовой фазе зоны сварки являются:

– пары воды, поступающие из атмосферной влаги и влажности защитных газов;

– пары воды, поступающие из окисных пленок на основном и электродном металле, из влаги ржавчины, присутствующей на поверхности свариваемых кромок;

– пары воды, поступающие из влаги электродных покрытий и флюсов;

– газообразные компоненты, содержащиеся в органических веществах (крахмал, декстрин, целлюлоза и т.д.) покрытий.

В свободном виде водород поступает в зону плавления вследствие термодиффузии только из основного металла, в котором он (водород) находится в растворённом состоянии.

В зависимости от температуры газовой фазы водород может находиться в различных состояниях: молекулярном, атомарном и ионизированном.

В столбе сварочной дуги, где температура Т = 5000...6000 °С, большее количество водорода находится в атомарном состоянии, а при температурах, соответствующих жидкому состоянию металла, большая часть водорода находится в молекулярном состоянии.

Содержание водорода в металле определяется (при постоянной температуре) его парциальным давлением в газовой фазе контактирующей с металлом:

[ H ] = KP_H; .

где [ H ] и [ H ₂] – растворимость соответственно атомарного и молекулярного водорода в весовых процентах;

P_H и – парциальное давление соответственно атомарного и молекулярного водорода в газовой фазе;

К – константа, зависящая от температуры, состава и фазового состояния металла.

Растворимость водорода в расплавленном железе определяется:

,

где Н_о – растворимость водорода, мл (см³)/100 г;

– парциальное давление водорода, мм рт. ст.;

Т – температура, °К.

Влияние небольших добавок C, Si, Mn, Cr, Ni, Al на растворимость водорода незначительно, поэтому низколегированный металл растворяет водород практически как железо. А кислород, находящийся в сварочной ванне, значительно влияет на растворимость водорода в металле:

,

где – концентрация кислорода в шве, %;

– концентрация насыщения кислорода, %.

.

Для примера приведём расчёт содержания водорода в металле шва при сварке электродами ЦМ-7.

Содержание водорода в газовой фазе Н ₂ = 39 %, содержание кислорода в металле шва = 0,1 %, Т = 1550 °С (1823 °К).

Парциальное давление водорода в газовой фазе:

100 % – 760 мм рт.ст.	мм рт.ст.
39 % – Х

.

[ H_o ] = 14,689 мл (см³)/100 г; ;

%; = 14,689[1–0,54] = 6,76 мл(см³)/100г.

По данным химического анализа, [ H ] ^А = 5,24 мл (см³)/100 г.

Растворению водорода способствует высокая температура, интенсивное перемешивание дугой жидкого металла сварочной ванны и увеличение поверхности взаимодействия металла с газовой фазой вследствие капельного переноса металла.

Интенсивное растворение водорода при высоких температурах сварочного процесса и неполное его выделение при быстрой кристаллизации и дальнейшем охлаждении металла может привести к ряду дефектов, существенными из которых являются следующие:

а) образование пор в металле шва. При охлаждении жидкого металла шва, в особенности при кристаллизации (тыльная сторона сварочной ванны), металл оказывается перенасыщен водородом. В связи со скоротечностью процесса кристаллизации водород не успевает выделиться из металла, что приводит к образованию пор;

б) образование микротрещин в металле шва и зоне сплавления. Выделение водорода не прекращается и по окончании кристаллизации металла. Скапливающийся в микрообъёмах металла водород создает большое давление, что может привести к образованию трещин как «горячих», так и «холодных».

Ограничение содержания водорода в сварочной ванне (металле шва) достигается уменьшением парциального давления свободного водорода в газовой фазе удалением и ограничением источников водорода и связыванием его в стойкие соединения.

Удаление и ограничение источников водорода проводится очисткой кромок свариваемого металла от ржавчины и влаги, очистки электродной проволоки, просушки и прокалки электродов и флюсов.

Рис. 6. Содержание водорода в металле шва в зависимости от содержания кислорода

Связывание водорода в стойкие соединения достигается: 1. Окислением сварочной ванны, образованием ОН: CO 2 + H = CO + OH; O + H = OH; O 2 + H 2 = 2 OH. Вероятность этих реакций подтверждается данными расчётов и экспериментов (рис. 6).

2. Образованием фтористого водорода HF.

Введение в состав покрытий флюсов плавикового шпата (CaF ₂) определяет прохождение реакций

2 CaF ₂ + 3 SiO ₂ = 2 CaSiO ₃ + SiF ₄;

SiF ₄ + 3 H = SiF + 3 HF;

SiF ₄ + 2 H ₂ O = SiO ₂ + 4 HF.

Эти реакции протекают в столбе дуги и частично в высокотемпературной части сварочной ванны. Образовавшийся HF нерастворим в металле.