высоких температурах процесса, поэтому не всегда эти реакции могут полностью завершаться. С другой стороны, сильно ускоряются процессы затвердевания и кристаллизации металла шва, что существенно отражается на строении (структуре) твердого металла шва, получаемого после сварки, а также околошовной зоны основного металла.

Химический состав, структура и плотность металла шва зависят от состава основного и присадочного металла, характера и состава газов, окружающих жидкий металл, режима сварки и прочих факторов.

Указанные особенности металлургических процессов при сварке затрудняют получение сварных швов высокого качества, особенно для металлов, чувствительных к быстрому нагреву и охлаждению, легко окисляющихся, склонных к образованию пористости, закалочных структур, трещин и других дефектов. Для сварки конструкций из таких металлов приходится применять специальную технологию и режимы, особые присадочные металлы, электроды, электродные покрытия, флюсы, в ряде случаев использовать пред- -варительный и сопутствующий подогрев, а также последующую термическую обработку швов и в некоторых случаях - целых изделий.

§ 2. Основные реакции в зоне сварки

Рассмотрим основные реакции в зоне сварки, характерные для стали, как наиболее распространенного в промышленности металла. Особенности процессов, протекающих при сварке других металлов и сплавов, будут рассматриваться при описании технологии сварки этих сплавов. г

При сварке стали одной из главных задач является получение расплавленного металла, по возможности свободного от примесей кислор9да>-азота, водорода и серы.

Кислород является наноолее вредной примесью, так как окисляет расплавленный металл, образуя химические соединения - окислы.

Если окислы растворимы в жидком металле, то они поглощаются последним, образуя с ним при затвердевании твердый раствор. Нерастворимые окислы выделяются из затвердевшего металла, переходя в шлак. Часть нерастворимых окислов остается в металле шва в виде включений шарообразной формы (так называемых глобул) или, располагаясь по границам зерен, нарушает сцепление их между собой.

С железом кислород образует три окисла!

закись железа по реакции 2 Fe-j-02:j±2 Fe О; окись железа по реакции ЗРе-2бРезО; закись-окись железа по реакции 2Fe-l-l,5 02:Fea03,

При окислении сперва образуется закись железа, которая в дальнейшем при соответствующих условиях (температуре, соотношении кислорода и железа в сварочной ванне) может переходить в окись и закись-окись железа. При окислении железа в процессе сварки основную роль играет закись железа, так как только она способна растворяться в жидком металле.

Установлено, что в чистом расплавленном железе может растворяться до 0,22% кислорода в виде закиси железа, концентрация которой в расплавленном железе может достигать 0,5%. Содержание кислорода в стали (представляющей сплав железа с углеродом) будет меньше, так как растворимость закиси железа в сплаве уменьшается по мере повышения в нем содержания углерода. Когда содержание кислорода в стали достигнет 0,035%, избыточный кислород будет выделяться из раствора в виде закиси-окиси железа и располагаться между зернами металла.

Кислород легко соединяется также с углеродом, марганцем, кремнием и другими элементами, входящими в состав свариваемого металла, электродов, электродных покрытий и флюсов, образуя соответствующие окислы этих элементов.

Окисление элементов при сварке может происходить или в зоне сварочной дуги, где кислород находится в атомарном состоянии и отличается высокой химической активностью, или при взаимодействии их с закисью железа (FeO) в ванне расплавленного металла.

Вследствие окисления содержание некоторых элементов в металле шва может резко уменьшаться, что заметно ухудшает его свойства. Так, например, при сварке голыми электродами количество углерода может уменьшаться в металле шва на 50-0%, а марганца - на 40 -50% по сравнению с их содержанием в электродной проволоке. *---

Присутствие кислорода в металле шва в виде твердого раствора или включений окислов, в первую очередь сказывается на ухудшении механических свойств наплавленного металла: понижаются пределы прочности и текучести, относительное удлинение, ударная вязкость. Кроме того, кислород вредно влияет и на другие свойства металла - снижает стойкость его против коррозии, повышает склонность к старению, делает металл хладноломким и красноломким.

Таким образом, главным словием получения наплавленного металла высокого качества является защита его от окисления кислородом окружающей среды. Это достигается, во-первых, созданием вокруг расплавленного металла защитной среды из газов и шлаков. Однако полностью защитить металл от окисления не удается. Поэтому вторым средством для решения указанной задачи является удаление кислорода из наплавленного металла с помощью химических элементов, обладающих большим сродством к кислороду, чем железо, и образующих окислы, менее растворимые в жидком металле, чем FeO. Этот процесс называется раскис-

л ением и играет очень важную роль при сварке, так как обеспечивает получение чистого, высококачественного металла шва. Благодаря раскислению, а также надежной защите жидкого металла газами и шлаком, образуемыми при расплавлении покрытия электрода и флюса, содержание кислорода в металле шва очень невелико и практически составляет 0,005-,057%. В электродной проволоке содержание кислорода не превышает 0,01%.

Реакции окисления и раскисления обусловлены одним и тем же химическим процессом, но протекающим лишь в противоположных направлениях. Этот процесс можно выразить следующей общей формулой:

mMe-f О.МеЛ.

где m - число молекул металла (Me) или другого элемента, участвующего в реакции с кислородом; п - число молекул кислорода (Og), пошедшего-на окисленге или содержавшегося в окисле. Стрелками указано направление реакции: вправо - окисление, влево - раскисление (восстановление металла из окисла). При определенных соотношениях металла и кислорода вся система может находиться в состоянии химического равновесия при данной температуре и давлении, т. е. процессы окисления или восстановления протекать не будут. Тогда в данном объеме вещества будут находиться как чистый металл, так и его окисел. Такое состояние характеризуется некоторой величиной, называемой константой* равновесия К. Эта величина равна:

[%Ме] [0,]-¥

[%Ме 0 ]

Берутся весовые проценты концентраций взаимодействующих веществ. Числитель представляет собой произведение концентраций веществ, вступающих в реакцию, а знаменатель - концентрацию продуктов реакции. Для каждого вещества значения К, соответствующие равновесному состоянию системы при различных давлениях и температурах, определены опытным путем и даются в виде таблиц или графиков. Чем больше действительная величина К отличается от равновесной, вычисленной для той же температуры и давления, тем больше будет скорость реакции. Если отношение концентраций веществ в правой части формулы больше равновесного значения /С, то реакция пойдет вправо и произойдет окисление элемента Me. При обратном соотношении процесс идет влево и происходит раскисление (восстановление элемента Me из окисла). С повьпиением температуры скорость этих реакций возрастает.

* От латинского слова констант - постоянный.