Металлургические процессы при сварке плавлением

Металлургические (химические) реакции, протекающие между расплавленным металлом, газами и шлаком, имеют существенное, а в ряде случаев главенствующее значение в формировании физико-химических и эксплуатационных свойств сварного шва.

Металлургические реакции определяют, наряду с процессами массопереноса, потоки П легирующих элементов и примесей между материалами-участниками сварочного процесса.

Рассмотрим в качестве примера потоки П, характерные для дуговой сварки в среде защитных газов сварочной проволокой сплошного сечения, указав направление П верхним индексом, а источник потока – нижним (рис.2.23).

Рис. 2.23. Схема потоков химических элементов (П) при сварке

в среде защитных газов сварочной проволокой сплошного сечения:

м – основной металл; э – электрод; г – защитный газ; к – капля;

д – плазма дуги; а – воздушная атмосфера; в – сварочная ванна;

ш – шлаковая ванна; сш – сварной шов; шк – шлаковая корка

В рассмотренной схеме (см. рис.2.23), а также в соответствующих схемах других процессов дуговой сварки можно выделить две наиболее важные стадии. Химические реакции, имеющие место при образовании и переносе капель электродного металла, относят к с т а д и и к а п л и, а реакции, протекающие в сварочной ванне, – к с т а д и и в а н н ы.

Защитный газ, используемый при сварке в защитных газах (см. рис.2.23), необходим для защиты капли, сварочной ванны, а также участков основного металла и шва, нагретых свыше критических температур, от газов воздушной атмосферы. В других способах сварки плавлением для аналогичных целей кроме защитного газа используют комбинацию из защитного газа и шлака или только шлак.

При сварке сталей, чугуна и ряда других материалов с помощью газовой защиты необходимо обеспечить изоляцию места сварки в первую очередь от водорода, азота и водяного пара воздушной атмосферы. Для химически активных металлов (алюминий, титан, тугоплавкие металлы и др.) и их сплавов, кроме того, обязательна защита зоны сварки от кислорода воздуха.

Формирование химического состава металла шва осуществляется при смешении расплавленных основного и электродного металлов, а также в ходе металлургических процессов легирования, раскисления, рафинирования (по водороду, сере и фосфору), протекающих на стадиях капли и сварочной ванны.

Химические и физические свойства шлаков. Шлаками называют расплавы неметаллов (оксидов, сульфидов, галоидов и т.д.). Шлаки являются, в основном, комплексными соединениями. В расплавленном состоянии металлы и шлаки представляют собой несмешивающиеся жидкости, разделяющиеся по плотности. Затвердевший шлак называют ш л а к о в о й к о р к о й.

В условиях сварки шлаки появляются при расплавлении сварочного флюса, электродного покрытия, неметаллических компонентов сердечника порошковой проволоки, а также образуются при взаимодействии металла сварочной ванны с защитной средой.

Характер воздействия шлака на металл определяется химическими и физическими свойствами шлака (температурой плавления, вязкостью, плотностью, межфазовым натяжением на границе раздела металл – шлак и др.).

При теоретическом анализе свойств шлаков используют два взаимодополняющих подхода. Согласно одному из них шлаки представляют собой систему химически реагирующих между собой оксидов. В соответствии с другим подходом шлаки имеют ионное строение и являются электролитами.

Химические свойства шлака в значительной мере определяются соотношением в его составе кислых, основных и амфотерных оксидов. Фториды и хлориды в сварочном шлаке обычно ведут себя как нейтральные соединения.

Для характеристики химических свойств шлаков используют критерии основности B и кислотности K, определяемые в зависимости от химического состава шлака. Для критерия B принята формула, рекомендованная Международным институтом сварки:

, (2.1)

где обозначение химического соединения соответствует его массовой концентрации в шлаке.

Шлак кислый при B < 1, основной – в случае B > 1 и нейтральной – при B = 1.

Физический смысл критерия В состоит в оценке активности иона кислорода. Чем B больше, тем выше активность иона О^–2, т.е. тем больше в шлаке свободных ионов кислорода.

Температура плавления шлака определяется по кривым изменения динамической вязкости h. Шлаки медленно изменяют h в широком интервале температур, поэтому понятие температуры плавления для них является условным. В зависимости от характера изменения вязкости различают шлаки "длинные" (1) и "короткие"(2) (рис.2.24).

Основные шлаки, как правило, "короткие", т.е. они затвердевают в малом температурном интервале и при сварке достаточно быстро переходят от состояния жидкотекучести к образованию шлаковой корки.

Кислые шлаки, как правило, постепенно изменяют свою вязкость, постепенно густеют и после затвердевания имеют аморфное, стеклообразное строение.

Если температура плавления шлака T_ш слишком низка по отношению к температуре плавления металла T_ме, то шлак растекается по нагретым кромкам, слабо защищая сварочную ванну. В противном случае шлак собирается в наиболее нагретой головной части сварочной ванны, а хвостовая часть и края ванны оказываются оголенными.

Рис. 2.24. Зависимость вязкости шлаков, используемых при сварке стали, от температуры

Наиболее благоприятные условия для защиты сварочной ванны создаются в случае, когда T_ш несколько ниже T_ме. Например, при сварке сталей должно выполняться соотношение .

Вязкость шлака, как правило, должна быть выше вязкости металла и достаточна для растекания шлака со скоростью, соответствующей скорости перемещения источника тепла. Регулировать вязкость шлака можно изменяя его состав. Например, для уменьшения вязкости шлака увеличивают в нем концентрацию рутила (TiO₂) и плавикового шпата (CaF₂).

Межфазовое натяжение на границе раздела металл - шлак определяет формирование наружной поверхности сварных швов и радиус перехода r_п от усиления шва к основному металлу. Параметр r_п определяет такие эксплуатационные свойства сварного соединения, как концентрация напряжений от внешней нагрузки в месте перехода от шва к основному металлу, работоспособность соединения в условиях циклического нагружения и др.

При уменьшении плотности шлака по сравнению с плотностью металла шлак легче удаляется из сварочной ванны, всплывая на ее поверхность.

Химическое воздействие шлаков на металл может быть окисляющее, раскисляющее, легирующее и рафинирующее.

Окисление металла шва. В сварочную ванну кислород способен поступать из газовой фазы при переправлении поверхностных оксидов, а также в результате обменных реакций с химически активными по кислороду шлаками.

В газовую фазу, контактирующую со сварочной ванной, кислород попадает как примесь защитных газов, из воздушной атмосферы при сварке без защиты или при некачественной защите. Кроме того, в сварочной дуге водяной пар и углекислый газ диссоциируют с образованием свободного кислорода:

Н₂О ⇄ 2Н + О; (2.2)

СО₂ ⇄ СО + О. (2.3)

Расплавленный металл сварочной ванны поглощает кислород:

n[Me] + mO ⇄ [Me_nО_m], (2.4)

где квадратные скобки означают принадлежность реагента металлической ванне; Me – условное обозначение металла.

В продуктах реакции (2.3) (рис.2.25) присутствие кислорода становится заметным при температурах свыше 2000 К. В данных условиях углекислый газ является окислителем ряда металлов, в частности, он взаимодействует с расплавом железа по реакции

CO₂ + [Fe] ⇄ [FeO] + CO. (2.5)

Рис. 2.25. Равновесные массовые концентрации реагентов реакции (2.3) при различных температурах

Поверхностные оксиды (окалина) расплавляются и перемешиваются с расплавленным металлом сварочной ванны.

Химически активные по кислороду шлаки (расплавленные флюс, электродная обмазка или сердечник порошковой проволоки) окисляют металл сварочной ванны в ходе обменных реакций. Этот процесс протекает в перегретой части сварочной ванны:

(RO) + [Me] ⇄ [R] + [MeО] – Q, (2.6)

где круглые скобки означают принадлежность реагента шлаковой ванне; RO – условное обозначение оксида шлака.

Кислород окисляет не только матрицу сплава, но и легирующие элементы, уменьшая их содержание в шве. Оксиды на границах зерен снижают ударную вязкость и усталостную прочность металла шва. Оксидные включения в теле зерна являются одной из причин охрупчивания сплавов (по механизму старения).

Пример негативного воздействия кислорода на свойства сварного шва приведен на рис.2.26.

Рис. 2.26. Влияние общего содержания кислорода на ударную вязкость, временное сопротивление, условный предел текучести и относительное удлинение металла сварного шва при дуговой сварке низкоуглеродистой стали

Для снижения содержания кислорода в металле сварного шва используют раскисление.

Раскисление металла шва.Р а с к и с л е н и е – это процесс удаления кислорода из жидкого металла. Различают осаждающее и диффузионное раскисление.

Рассмотрим процессы раскисления на примере дуговой сварки углеродистых сталей.

При осаждающем раскислении растворенный кислород удаляют из жидкой стали, добавив в нее р а с к и с л и т е л ь, т.е. элемент, оксид которого более стабилен, чем оксиды железа. Такими элементами являются Si, Mn, Ti, Al и др., образующие при раскислении жидкие или твердые оксиды, а также углерод, дающий газообразный продукт раскисления. Наиболее сильными раскислителями при сварке стали являются редкоземельные элементы.

Раскисление стали содержащимся в ней углеродом протекает как самопроизвольное явление, сопутствующее окислению железа в сварочной ванне. Продукт окисления железа FeO конвективными потоками распределяется по объему сварочной ванны. В процессе перераспределения FeO восстанавливается с образованием оксида углерода:

FeO + C ⇄ Fe + CO. (2.7)

Пузырьки СО частично всплывают на поверхность расплавленной стали, а также из-за скоротечности процесса кристаллизации частично остаются в сварочной ванне и образуют в шве большое количество пор. Такой сварной шов является некачественным и имеет очень низкие показатели прочности и пластичности.

По этой причине развитие реакции (2.7) при сварке сталей сдерживают путем введения в сварочную ванну других раскислителей, восстанавливающих железо одновременно с протеканием реакции (2.7), но с гораздо большей скоростью. Например, реакции раскисления кремнием и марганцем имеют вид

[FeO] + [Mn] ⇄ (MnO) + [Fe]; (2.8)

2[FeO] + [Si] ⇄ (SiO₂) + 2[Fe]. (2.9)

Образовавшиеся оксиды MnO и SiO₂ имеют меньшую плотность, чем расплав стали и, всплывая, частично переходят в шлаковую ванну. Остальные оксиды из-за скоротечности процесса затвердевания сварочной ванны не успевают всплыть и образуют в сварном шве шлаковые включения.

Диффузионное раскисление осуществляется, в основном, за счет перехода МeO в шлак диффузионным путем, а также при перемешивании шлака с металлом, в частности, под действием давления сварочной дуги.

При дуговой сварке покрытыми электродами, порошковой проволокой и под флюсом диффузионное раскисление обычно используют как дополнительный процесс к осаждающему раскислению.

Например, основной шлак удерживает продукты осаждающего раскисления стали по реакциям

[SiO₂] + (CaO) ⇄ (CaO SiO₂); (2.10)

[Al₂O₃] + (CaO) ⇄ (CaO Al₂O₃). (2.11)

Это обусловливает высокий градиент концентраций для SiO₂ и Al₂O₃ между шлаковой и сварочной ваннами и усиливает диффузионный поток оксидов кремния и алюминия в шлак. В результате интенсифицируются реакции осаждающего раскисления стали кремнием и алюминием и общее содержание кислорода в шве (оксидов железа, оксидов легирующих элементов и примесей, оксидов раскислителей) существенно понижается.

Взаимодействие металла шва с водородом. Источником водорода при сварке являются водяной пар, органические загрязнения (масло), газообразный водород (при использовании в качестве защитного газа или как примесь к защитным газам), электродный или основной металл.

В большинстве случаев водород попадает в атмосферу сварочной дуги в основном в виде водяного пара. Вода находится в сварочных материалах: во флюсе, обмазке и в виде примеси защитных газах. При сварке алюминия и его сплавов вода адсорбируется оксидной пленкой на основном и электродном металле.

В сварочной дуге водяной пар разлагается, в основном, по следующим реакциям:

H₂O(газ) ⇄ 2H + O; (2.12)

H₂O(газ) ⇄ H₂ + O. (2.13)

Другим возможным путем перехода водорода в металл являются химические реакции водяного пара с металлом сварочной ванны, расплавленным шлаком и защитным газом:

[Me] + H₂O ⇄ (MeO) + H₂; (2.14)

2(FeO) + H₂O ⇄ (Fe₂O₃) + H₂; (2.15)

[Me] + 2H₂O ⇄ (MeO) + (OH) + 3H; (2.16)

CO + H₂O ⇄ CO₂ + H₂. (2.17)

В атмосфере дуги, а также при контакте с поверхностью расплавленного металла молекулярный водород диссоциирует:

H₂ ⇄ 2H. (2.18)

Присутствие водорода в сварном шве при сварке сталей вызывает пористость, увеличивает склонность металла шва к образованию горячих трещин и является одной из основных причин появления холодных трещин.

Водородная пористость возникает также при сварке алюминия, меди и других металлов.

Титан, тантал, ниобий, ванадий и ряд других металлов образуют с водородом гидриды. Гидриды, выпадая по границам зерен, уменьшают пластичность металла.

Для уменьшения содержания водорода в металле сварочной ванны проводят ряд конструкторско-технологических мероприятий (использование основного и электродного металла с низкой концентрацией водорода, рациональный выбор способа сварки, прокаливание перед сваркой флюса и электродов, осушение защитного газа и др.). При использовании шлаков, содержащих CaF₂, осуществляется рафинирование расплавленного металла по водороду.

Взаимодействие металла шва с азотом. Азот попадает в сварной шов, в основном, из воздуха при некачественной защите зоны сварки.

Азот является нейтральным газом по отношению к меди, серебру и золоту. При сварке остальных металлов азот химически реагирует с расплавленным металлом и является вредной примесью защитного газа.

Присутствие азота в металле сварного шва низкоуглеродистых и низколегированных сталей увеличивает их прочность, но снижает пластичность сварного шва, т.е. вызывает его охрупчивание (рис.2.27), что в условиях сварки нежелательно.

В сталях, а также в Ti, Zr, V, Nb и Ta азот образует нитриды, которые выпадают в виде дисперсных включений преимущественно по границам зерен. Это приводит к закреплению дислокаций по механизму старения, что обусловливает повышение прочности и снижение пластичности металла шва.

В настоящее время для сварки ряда ответственных сварных конструкций используют микролегированные стали, легированные азотом в пределах от 0,01 до 0,04 % (например, 16Г2АФ, 12ГН2МФАЮ и др.). Азот, введенный в микролегированные стали в указанных количествах, способствует повышению прочности стали и незначительно снижает ее пластические свойства. Вместе с тем, для получения высоких показателей ударной вязкости сварного шва, особенно при низких температурах, содержание азота в шве понижают. Это достигается перемешиванием в сварочной ванне основного металла (микролегированная сталь) с чистым по азоту электродным металлом, а также переводом части азота в связанное состояние (нитрид марганца) с последующим переходом нитрида марганца в шлак.

Рис. 2.27. Влияние содержания азота на временное сопротивление, условный предел текучести, относительное удлинение и ударную вязкость металла сварного шва при дуговой сварке низкоуглеродистой стали

Легирование металла шва проводится для получения требуемого химического состава. Состав металла шва определяется в зависимости от состава свариваемого металла, вида и условий эксплуатации конструкции, термического цикла сварки и других факторов. При сварке однородных металлов обычно стремятся получить металл шва, близкий или идентичный основному металлу.

Пути легирования наплавляемого металла при этом могут быть самыми различными. Это – легирование за счет сварочной проволоки или металлодобавок, за счет проплавления основного металла, в результате обменных реакций, через газовую фазу.

Легирование за счет сварочной проволоки или металлодобавок является основным методом легирования и обеспечивает наиболее стабильные результаты. Легирующие элементы (добавки) могут содержаться в металле электродного стержня (сварочной проволоки) либо вводиться в виде порошкообразных металлов внутрь проволоки трубчатого сечения (порошковой проволоки), а также добавляться к флюсу.

Переход легирующего элемента в сварочную ванну осуществляется при расплавлении сварочной проволоки или металлодобавки.

Легирование за счет проплавления основного металла используется при сварке и наплавке специальных сталей и сплавов в тех случаях, когда режимом сварки может быть обеспечено глубокое проплавление свариваемого металла, характеризуемое значительной площадью проплаления. Это позволяет при сварке соединений с малой площадью наплавки из легированных сталей и сплавов нелегированными или низколегированными сварочными проволоками получать приемлемые механические свойства металла швов.

Рассмотренный путь легирования металла шва имеет ограниченное применение.

Легирование в результате обменных реакций осуществляется при взаимодействии расплавленных металла и шлака. При этом химические элементы поступают из шлака в металл сварочной ванны в ходе окислительно-восстановительных реакций.Такой способ легирования применим к элементам, обладающим меньшим сродством к кислороду, чем металл легируемого сплава (например, для железа это – медь, никель, вольфрам, молибден).

Легирование осуществляется по реакции

[Me¢] + (Me¢¢O) ⇄ (Me¢O) + [Me¢¢], (2.19)

где Me¢¢ – легирующий элемент.

При сварке сталей используется также легирование такими активными элементами, как хром, марганец, кремний и другие. В частности, в головной (наиболее горячей) части сварочной ванны реакция (2.19) смещена в сторону восстановления марганца и окисления железа и протекает в соответствии с представленной на рис.2.28 схемой.

Рис. 2.28. Схема легирования сварного шва марганцем в результате

протекания реакции (2.19) в модели шлака, представляемого

в виде системы химически реагирующих между собой оксидов

Образовавшийся оксид железа (см. рис.2.28) перераспределяется между металлом и шлаком. Количество FeO, переходящего в шлак, зависит от температуры, состава шлака и его основности.

Марганец, перешедший из шлака в металл в высокотемпературной зоне, при попадании в низкотемпературную зону (хвостовую часть сварочной ванны) начинает окисляться, действуя как раскислитель.

Легирование стали кремнием и хромом осуществляется по механизму аналогичному для марганца.

Легирование воздействием газовой фазы на металл имеет при сварке второстепенное значение.

При газовой сварке (ацетилено-кислородной или при использовании в качестве горючего газа других углеводородов) посредством соответствующей регулировки пламени можно науглероживать металл, если он растворяет углерод. Например, при значительном избытке ацетилена в пламени сплавы на железной основе могу быть науглерожены до ~1 % углерода.

При дуговой сварке плавящимся электродом присутствие углекислого газа над поверхностью сварочной ванны также вызывает науглероживание металла шва. Повышение содержания углерода по сравнению с его содержанием в проволоке в данном случае обычно составляет не более 0,05 %. Степень такого науглероживания возрастает при использовании сильных раскислителей. Например, алюминий восстанавливает оксид углерода до сажистого углерода, который растворяется в сварочной ванне:

2[А1]+ЗСО ⇄ (А₂0₃)+3[С]. (2.20)

Концентрация углерода в наплавленном металле за счет реакции (2.20) может быть повышена на 0,1 – 0,2 %.

При наличии в сварочной ванне хрома в достаточно больших концентрациях содержание углерода в наплавленном металле возрастает в сравнении с металлической частью электрода на 0,01 – 0,03 %.

В целом процессы науглероживания при сварке должны рассматриваться как отрицательные и легирование по рассмотренной схеме может использоваться только при наплавке высокоуглеродистыми сплавами.

Расчет состава металла шва в первом приближении может быть осуществлен через доли участия в образовании шва основного металла a, электродного металла b и металлодобавки к флюсу или покрытию c .

Доли a, b и c определяются из следующих очевидных соотношений:

, , , (2.21)

где m и n – коэффициенты; F_пр, F_н – площади проплавления и наплавки (рис. 2.29).

Рис. 2.29 Площади наплавки Fн и проплавления Fпр для различных типов сварных соединений при дуговой сварке плавлением

Решая систему уравнений (2.21), имеем

; ; . (2.22)

Расчетная концентрация элемента в сварочной ванне [Me]_и определяется выражением

[Me]_и = a[Ме]_a + b[Me]_b + c[Мe]_c, (2.23)

где [Ме]_a, [Me]_b и [Мe]_c – соответственно процентное содержание элемента [Me] в основном металле, электродном металле и металлической добавке к флюсу или покрытию.

Реальная концентрация элемента в сварном шве [Мe]_ш может отличаться от рассчитанной по формуле (2.23) в зависимости от величины и направления потоков химических элементов (см. рис.2.23), обусловленных протеканием химических реакций, процессами испарения и массопереноса. Степень такого отличия оценивается коэффициентом усвоения (перехода) h_s элемента Me сварочной ванной (металлом шва):

. (2.24)

Коэффициенты h_s для ряда элементов при дуговой сварке приведены в табл.2.6.

Таблица 2.6

Коэффициенты перехода некоторых элементов

при различных способах дуговой сварки

Вид дуговой сварки	Коэффициенты перехода элементов
Mn	Si	Cr
Сварка в воздушной атмосфере без защиты сварочной проволокой Св-18ХГСА	0,63 – 0,69	0,50 – 0,87	0,90 – 0,95
Сварка в среде СО2 сварочной проволокой Св-18ХГСА	0,80	0,81	0,94
Сварка в смеси газов Ar + 5 % O2 сварочной проволокой Св-10ГС	0,41	0,32	–
Сварка покрытыми электродами марки УОНИ-13/45	0,45 – 0,55	0,14 – 0,27	–

Рафинирование металла шва. Р а ф и н и р о в а н и е – это процесс очистки расплавленного металла от нежелательных примесей.

Различают примеси постоянные и случайные. Присутствие постоянных примесей в металлах или сплавах обусловливается методом и технологическими особенностями их получения. К случайным примесям относят элементы, случайно попадающие в металл из вторичного сырья или руд отдельных месторождений.

Например, в углеродистых и легированных сталях постоянными примесями являются кремний, марганец, алюминий, сера, фосфор, а также кислород, водород и азот. Случайные примеси в сталях – хром и никель.

Рафинирование в условиях сварки плавлением сталей возможно по водороду, сере и фосфору. Рассмотрим данные процессы.

Снижение концентрации водорода в сварочной ванне достигается путем связывания водорода в процессе сварки в химически прочные при высоких температурах соединения, нерастворимые в металле, например, HF и OH.

Связывание водорода в HF производится с помощью шлаков, содержащих флюорит (CaF₂), например, при сварке под флюсом ОСЦ-45 или при сварке покрытыми электродами марки ЦУ-5 (для сварки корневых швов толстостенных трубопроводов на постоянном токе обратной полярности). При этом протекают следующие химические реакции.

Флюорит, реагируя в шлаке с диоксидом кремния, образует тетрафторид кремния

2(CaF₂)+3(SiO₂) ⇄ 2(CaSiO₂)+ SiF₄­. (2.25)

Улетучиваясь, тетрафторид кремния переходит в газовую фазу, где он взаимодействует с атомарным водородом и водяным паром по реакциям

SiF₄+3H ⇄ (SiF)+3HF­; (2.26)

SiF₄+2H₂O ⇄ (SiO₂)+4HF­. (2.27)

Образование гидроксила протекает по реакциям

CO₂ + H ⇄ CO + OH; (2.28)

O + H ⇄ OH; (2.29)

O₂ + H₂ ⇄ 2OH. (2.30)

Реакции (2.28) – (2.30) протекают при сварке покрытыми электродами, порошковой проволокой и под флюсами, содержащими CaCO₃ (в условиях дуговой сварки CaCO₃ распадается с выделением CO₂), а также при сварке в углекислом газе.

В результате протекания реакций (2.25) – (2.30) концентрация атомарного водорода над поверхностью сварочной ванны снижается, что приводит к уменьшению диффузионного потока водорода в расплавленный металл вследствие чего концентрация водорода в сварочной ванне снижается.

Несмотря на возможность использования при сварке реакций (2.25) –(2.30), основными методами борьбы с насыщением металла сварного шва водородом являются уменьшение содержания влаги в сварочных материалах (флюс, защитный газ, обмазка покрытых электродов); обезжиривание кромок свариваемых деталей; использование основного и электродного металлов с минимально возможным содержанием растворенного водорода.

Сера снижает пластичность сварного шва, приводит к красноломкости (появление трещин во время горячей обработки давлением) и вызывает образование горячих трещин.

Чем больше серы в стали, тем выше склонность металла к образованию горячих трещин.

Сера попадает в сварной шов, как правило, из основного металла и флюса. В сварочной проволоке, защитных газах и покрытых электродах содержание серы незначительное. При газовой сварке большое количество серы переходит в металл из ацетилена.

В расплаве стали сера образует сульфид железа FeS.

Для удаления серы из сварочной ванны ее связывают в плохо растворимые в металле сульфиды марганца, кальция, а иногда и магния. Данные сульфиды частично переходят в шлак и частично остаются в металле, образовывая сульфидные или оксисульфидные включения.

Процесс рафинирования расплавленного металла по сере называется д е с у л ь ф у р а ц и е й.

При сварке сталей под марганцовистыми флюсами, например, при сварке под высококремнисто-марганцовистым флюсом ФЦ-3 протекает реакция

[FeS] + (MnO) ⇄ (MnS) + [FeO]. (2.31)

В случае сварки под марганцовистыми флюсами с малым содержанием MnO или под безмарганцовистыми флюсами (например, при сварке под флюсом ТА.st.10 или при сварке покрытыми электродами марки УОНИ-13/45) активная десульфурация сварочной ванны осуществляется оксидами кальция и магния:

[FeS] + (CaO) ⇄ (CaS) + [FeO]; (2.32)

[FeS] + (MgO) ⇄ (MgS) + [FeO]. (2.33)

Кроме того, большинство отечественных флюсов для сварки сталей содержит значительное количество флюорита (CaF₂), который также способствует удалению серы из сварочной ванны с образованием летучего соединения SF₆.

Фосфор попадает в сварной шов из основного металла, сварочной проволоки, флюса, обмазки и сердечника порошковой проволоки.

Фосфор ухудшает механические свойства сплавов.

В углеродистых и низколегированных сталях фосфор вызывает хладоломкость. Причем, чем больше концентрация фосфора, тем выше температура перехода металла в хрупкое состояние (порог хладоломкости).

Нагрев легированных сталей и выдержка их при температуре 200 – 400^оC, например при многослойной сварке, приводит к появлению хрупкости, связанной с диффузией фосфора из тела зерна к границам зерна. Явление охрупчивания металла при его нагреве до температуры 200 – 400^оC называется с и н е л о м к о с т ь ю.

Переходя в жидкую сталь, фосфор образует соединение Fe₂P.

Фосфор удаляют при сварке с помощью основных шлаков, например, при сварке под низкокремнисто-марганцовистым солеоксидным флюсом АН-43, при сварке покрытыми электродами марки СМ-11 (применяются для сварки ответственных конструкций из углеродистых и низколегированных сталей) и др.

Удаление фосфора из расплава металла является многостадийным процессом, который называется д е ф о с ф о р а ц и е й. На первой стадии дефосфорации фосфор окисляется

2Fe₂P+5FeO ⇄ P₂O₅+9Fe. (2.34)

Оксид P₂O₅ – кислый, и на следующих стадиях дефосфорации он связывается в шлакообразующие комплексные соединения

2[Fe₂P] + 5(FeO) + 3(RO) ⇄ (RO)₃×P₂O₅ + 9[Fe]; (2.35)

2[Fe₂P] + 5(FeO) + 4(RO) ⇄ (RO)₄×P₂O₅ + 9[Fe], (2.36)

где RO – основные оксиды в составе шлака (например, CaO и MgO).

Увеличение плотности тока, погонной энергии приводит в конечном счете к повышению температуры шлака и фосфор связывается хуже.

В кислых шлаках, например при сварке электродами СМ-5 (для сварки конструкций их углеродистых сталей),удаление фосфора затруднено, так как CaO начинает образовывать комплексные соединения с SiO₂ и TiO₂.

Вопросы для самоконтроля

1. Какова роль металлургических (химических) реакций при сварке в формировании физико-химических и эксплуатационных свойств сварного шва.

2. Охарактеризуйте роль шлака в физических и химических процессах, протекающих при сварке плавлением.

3. Приведите характеристику процессов окисления и раскисления металла сварного шва и обоснуйте необходимость применения раскислителей при сварке.

4. В чем проявляется негативное воздействие водорода на механические свойства сварного соединения и как на практике можно уменьшить данное воздействие?

5. Как проявляет себя азот при попадании в сварной шов?

6. С какой целью и каким образом производится легирование сварного шва?

7. В чем состоит сущность расчета состава металла сварного шва через доли участия основного, электродного металлов и флюса (покрытия) в образовании шва?

8. Приведите примеры случайных и постоянных примесей в сталях и укажите способы снижения их концентрации в процессе сварки.