Раздел IV. МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ

НАЗАД: 4.2.3. Влияние азота на свойства металлов

4.2.4. Влияние водорода на свойства металлов

Водород может явиться защитным газом, предохраняющим металл от насыщения его кислородом и азотом, так как водород образует с ними химические соединения. На этом свойстве водорода основана атомно-водородная сварка неплавящимися электродами дугой косвенного действия, разработанная в 1925 г. И. Лангмюром. Сварка осуществляется на токах до 100 А в среде чистого водорода (99,95 ¸ 99,99 %).

Свариваются малоуглеродистые тонколистовые стали, чугун малой толщины, а алюминиевые и магниевые сплавы только с применением флюсов. Столб дуги имеет температуру 3700 ⁰С. В столбе дуги происходит диссоциация молекулярного водорода на атомарный. Атомарный водород под напором защитной струи устремляется к свариваемым деталям. Достигая поверхности относительно холодного металла, атомарный водород переходит в молекулярную форму, выделяя при этом тепло, затраченное на процесс диссоциации. Следовательно, водород в этом случае играет двойную роль – защищает зону плавления от воздуха и является переносчиком части тепла от сварочной дуги. Так как с металлом соприкасается молекулярный водород, то растворимость его в металле будет невелика.

Сварка плавящимся электродом в среде водорода неприемлема, так как процесс неустойчив, формирование плохое, шов пористый.

Атомарный водород легко растворяется во всех металлах. Этому способствует высокая степень диссоциации молекулярного водорода при температурах, имеющих место в столбе дуги. Так, при Т = 5000 К степень диссоциации водорода a = 0,94.

Растворимость водорода в железе следующая:

Т, ^0С	20	1530	2500
[Н], см^3/100г	10^-3	25	44

0,001 % водорода в стали соответствует 11,2 см³/(100г металла).

При охлаждении избыточный водород стремится выделиться из металла. Это приводит к напряжениям, трещинам различного рода, хрупкости (водородная хрупкость), пористости, снижению пластичности, длительной прочности (рассчитываемой на 10⁵ часов эксплуатации сварного соединения). Выделяющийся из твердого раствора водород скапливается в микропустотах (дефектах кристаллической решетки металла), где он переходит в молекулярную форму. Напряжения в микропустотах при комнатной температуре могут достигать до 10⁶ атм. Скопление водорода в микродефектах приводит к макротрещинам, порам.

С высокоактивными элементами (Ca, Pd, V, Ti, Ta, Nb, Zr, Th, РЗЭ) водород образует гидриды, которые при температуре выше 700 ⁰С разлагаются, создавая напряжения. Водород способствует радиационной хрупкости металла. В медных и никелевых сплавах может быть явление, называемое водородной болезнью. В данных сплавах всегда есть какое-то количество оксидов. Растворенный водород может вступить во взаимодействие с этими окислами в качестве раскислителя:

Cu₂O + 2H ® 2Cu + H₂O; (4.6)

NiO + 2H ® Ni + H₂O; (4.7)

Образовавшиеся пары воды стремятся выйти из металла, создают большие напряжения, способные привести к образованию трещин.

Водород, стремящийся выйти из металла, является одной из причин образования как горячих, так и холодных трещин.

С увеличением легирования наплавленного металла его склонность к водородному охрупчиванию растет (см. рис. 43). С увеличением содержания водорода в низколегированных сталях до 7,3 см³/100 г критическая температура хрупкости возрастает на 80 ⁰С.

Рис. 43. Влияние содержания водорода на появление холодных трещин в металле шва, С_экв – эквивалент углерода в присадочной проволоке:

В сталях мартенситного класса критическим содержанием водорода в наплавленном металле, выше которого в сварных соединениях наблюдаются холодные трещины, является 10 см³/100 г.

Исходное содержание водорода в сталях – от 3 до 8 см³/100 г. В металле шва при сварке сталей содержание водорода соответствует табл. 8.

Таблица 8. Содержание водорода в металле шва при сварке сталей

Способ сварки	Содержание водорода, см^3/100 г
1. РДС электродами с покрытием: - кислым - рутиловым - основным - целлюлозным	15 £ 30 2 ¸ 6 £ 50
2. Газовая	5
3. В углекислом газе	4
4. Под флюсом	4,4

Часть водорода может выделиться из твердого металла. Это диффузионный водород в отличие от остаточного. Диффузионный водород влияет на образование как холодных, так и горячих трещин, пористости металла шва. Остаточный водород влияет на длительную прочность металла.

Источники водорода при сварке следующие:

- влага (в сварочных материалах, на поверхности основного и присадочного металлов);

- загрязнения органического характера (масла), ржавчина на поверхности основного и присадочного металлов;

- продукты разложения органических компонентов электродных покрытий:

Cn(H₂O)_m ® CO + H₂. (4.8)

Для получения качественного сварного соединения надо уменьшать содержание водорода в металле шва. Для оборудования АЭС остаточное содержание водорода (во избежание радиационной хрупкости) в металле шва не должно превышать 2 см³/100 г.

При сварке алюминиевых сплавов содержание водорода более 0,7см³/100г приводит к пористости металла шва. Отрицательное влияние водород оказывает и на другие сплавы – титановые, никелевые и пр.

Для уменьшения содержания водорода в металле шва рекомендуют:

· выполнять сушку или прокалку сварочных материалов перед сваркой;

· ограничивать содержание влаги в защитных газах;

· подвергать очистке поверхности основного и присадочного металла перед сваркой;

· ограничивать число проходов;

· использовать постоянный ток обратной полярности;

· создавать некоторую окисленность газовой фазы за счет добавления в нее небольшого количества кислорода или углекислого газа (см. рис. 44). В этом случае возможно протекание следующих реакций:

{CO₂} + {H} ® {CO} + {OH} (4.9)

{O} + {H} ® {OH} (4.10)

{O₂} + {H₂} ® 2{OH) (4.11)

· связывание водорода в газовой фазе с образованием HF.

Последовательность протекания этого процесса следующая:

2(CaF₂) + 3(SiO₂) ® 2(CaSiO₃) + {SiF₄} (4.12)

{SiF₄} + 3{H} ® 3{HF} + {SiF} (4.13)

Кроме того, возможны реакции:

{SiF₄} +2{H₂O} ® (SiO₂) + 4{HF} (4.14)

(CaF₂) + 2{H₂O} ® (Ca(OH)₂) + 2{HF} (4.15)

Аналогично реакциям (4.12), (4.13) протекает реакция CaF₂ c TiO₂:

3(TiO₂) + 2(CaF₂) + 3{H} ® 2(СаTiO₃) + {TiF} + 3{HF} (4.16)

· предварительный и сопутствующий подогрев. Подогрев позволяет повысить пластические свойства металла, т.е. его сопротивляемость хрупкому разрешению, снижает неравномерность нагрева, т.е. величину сварочных напряжений, повышает диффузию водорода из металла в окружающую среду.

· термический отдых (выдержка при температуре 150 ¸ 200 ⁰С в течение 12 ¸ 20 часов для удаления диффузионного водорода);

· термообработку сварных соединений после сварки (чаще всего высокий отпуск) с целью уменьшения содержания водорода, сварочных напряжений и вероятности образования холодных трещин.

Рис.44. Зависимость содержания водорода в стали от степени её окисленности

При сварке закаливающихся сталей при невозможности провести после сварки термообработку применяют аустенитные сварочные материалы. Аустенитная структура металла шва снижает содержание водорода в зоне термического влияния по сравнению с его исходным содержанием.

ДАЛЕЕ: 4.3. Шлаковая фаза при сварке плавлением