Раздел IV. МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ

 

НАЗАД: 4.1. Общая характеристика процессов в зоне плавления

 

4.2. Газовая фаза при сварке плавлением

 

4.2.1. Пути насыщения металла газом при сварке

 

В результате взаимодействия с газовой фазой механические свойства металла ухудшаются. Так, сварные соединения, выполненные в космосе (т.е. в вакууме) имеют механические свойства на 30 ¸ 40 % выше, чем аналогичные соединения, выполненные тем же способом сварки в земных условиях. Более высокие механические свойства имеет и металл, подвергнутый электрошлаковому переплаву (ЭШП), в процессе которого отсутствует взаимодействие металла с газовой фазой. Так, у стали марок 20К после ЭШП снизилась температура хладноломкости с –10 0С до –40 0С.

Для взаимодействия металла с газом не надо много времени. На воздухе за время 10-7 с поверхность металла покрывается слоем адсорбированных газов, которые препятствуют получению качественного сварного соединения.

Источниками газовой фазы являются:

·                         воздух (при сварке голым электродом в составе газовой фазы его до 75 %, при сварке в защитных газах – до 5 % за счет подсоса);

·                         продукты диссоциации газообразующих компонентов электродного покрытия или шихты порошковой проволоки (CaCO3, MgCO3, Cn(H2O)m) – CO2, H2, CO;

·                         пары воды;

·                         продукты металлургических процессов – CO, SiF4 TiF4, SiF, TiF, HF, SO2;

·                         продукты возгонки различных элементов;

·                         пары металлов, компонентов электродных покрытий, флюсов, шихты порошковой проволоки (давление этих паров может составлять 0,15 ¸ 0,25 атм);

·                         защитные газы (CO2, Ar, He, газовые смеси).

·                         По характеру газовая фаза может быть:

·                         нейтральная (например, Ar и He);

·                         окислительная (CO2, O2, H2О);

·                         восстановительная (СО, Н2).

Насыщение металла газами происходит несколькими путями. Основной путь – это химическое поглощение (растворение). Количество растворенного в металле газа “r” определяется уравнением Генри

 

[Cr] = kPr;            (4.1)

 

или законом Сиверса

 

[Cr] = k1Pr + k2;               (4.2)

 

где    К, К1, и К2 – постоянные величины, зависящие от температуры, свойств газа и металла;

Pr  и Pr2 – парциальные давления атомарного и молекулярного газа «r».

В основном растворяются атомарные газы. Молекулярным газам должна предшествовать их диссоциация на атомы. Так, растворимость атомарного азота в е18 раз выше, чем молекулярного. Температурная зависимость растворимости газов схематично представлена на рис. 40,а. Насыщение газом происходит в основном при жидком состоянии металла, но титан, например, начинает интенсивно поглощать газы с температуры выше 350 0С. Наиболее интенсивно насыщение газами происходит на стадии капли, этому способствует высокая температура, близкая к температуре кипения, и большая относительная поверхность капли.

 

 

Максимальная растворимость газов в железе

 

Газ

20 0С

1500 0С

2500 0С

Кислород,%

0,035

0,16 (0,22)

2

Азот,%

0,001

0,04

0,06

Водород, см3/100г

10-3

25

42

 

Рис.40. Растворимость газов в металле:

а – характер химического растворения; б – электрическое растворение кислорода  и азота в сталях

 

В дуге наблюдается и электрическое поглощение газов на катоде. Положительные ионы под действием электрического поля бомбардируют поверхность катода, нейтрализуются и диффундируют вглубь металла. Электрическая растворимость зависит от газа, режима сварки (катодного падения напряжения), наличия третьих компонентов, окисных пленок. На рис. 40,б представлена зависимость электрического поглощения кислорода и азота в зависимости от напряжения дуги. Из графика видно, что для уменьшения содержания газов в металле шва сварку надо вести короткой дугой.

Кроме того, насыщение металла газами может происходить в результате хемосорбции. Процесс протекает следующим образом: вначале осуществляется адсорбция (поверхностное поглощение) газа, затем на поверхности металла образуются химические соединения (происходит хемосорбция), которые диффундируют вглубь металла.

Итак, металл всегда содержит какое-то количество газов в виде отдельных включений (газовых включений или пор), химических соединений или твердого раствора. В твердом металле лишь до 10 % азота и кислорода находятся в растворенном состоянии, остальной газ в виде оксидов и нитридов, расположенных в виде межзеренных или межкристаллитных прослоек.

 

ДАЛЕЕ: 4.2.2. Влияние кислорода на свойства металла