который при понижении температуры может переходить в
высшие оксиды Fe3O4 и Fe2O3.
Оксид FeO способен растворяться в жидком металле и после остывания металла сварочной ванны может оставаться в сварочном шве в виде пленок, окаймляющих зерна, что сильно снижает пластические свойства шва. Высшие оксиды Fe3O4 и Fe2O3 не растворяются в жидком металле, и если они не всплывают на поверхность сварочной ванны, то остаются в металле шва в виде шлаковых включений.
Железо и легирующие элементы могут окисляться также кислородом сложных газов СО, СО2 и паров воды Н2О.
В сварочной ванне легирующие элементы могут окисляться при взаимодействии с FeO
Me + FeO ↔ MeO + Fe.
Это приводит к тому, что их содержание в металле уменьшается. Образовавшиеся оксиды могут оставаться в шве в виде газовых пор и шлаковых включений, что значительно снижает механические свойства сварных соединений.
Процесс перевода растворённого оксида FeO в форму нерастворимых соединений с последующим их удалением в шлак называется раскислением. В качестве раскислителей при сварке сталей используют марганец, кремний, титан, алюминий и другие элементы, обладающие большим. чем железо, сродством к кислороду. Раскислители вводятся в сварочную ванну через электродную проволоку, покрытия электрода и флюс.
Раскисление марганцем происходит по реакции
[FeО] + Mn↔ Fe + (MnO).
Оксид марганца мало растворим в железе, но сам хорошо растворяет в себе оксид железа FeO, увлекая его за собой в шлак.
Раскисление кремнием происходит по реакции
2[FeO] + Si↔2Fe +(SiO2).
Оксид кремния плохо растворим в железе и всплывает в шлак. Раскисление кремнием сопровождается образованием
291
комплексных соединений, которые также переходят в шлак
MnO+SiO2=(MnO·TiO2),
FeO+TiO2=(FeO·TiO2).
Раскисление алюминием
3[FeO]+2Al=3Fe+(Al2O3).
Алюминий более энергичный раскислитель, чем титан, но он образует тугоплавкие оксиды, которые очень медленно переходят в шлак и частично остаются в шве. Кроме того, он способствует окислению углерода, что приводит к пористости шва.
Одной из особенностей металлургических процессов при сварке под флюсом средне- и низколегированных сталей является легирование шва марганцем и кремнием за счет их восстановления из оксидов MnO и SiO2, находящихся во флюсе. В высокотемпературной зоне протекают восстановительные реакции:
2[Fe]+(SiO2)↔2(FeO)+[Si], [Fe]+(MnO)↔(FeO)=[Mn].
Образовавшийся при этом оксид FeO частично всплывает в шлак, а частично растворяется в жидком металле; марганец и кремний полностью остаются в металле шва. При увеличении напряжения дуги возрастает количество расплавленного флюса
ипереход марганца и кремния в шов увеличивается.
Вхвостовой части сварочной ванны в зоне понижения температур протекают реакции раскисления оксидов железа кремнием и марганцем с последующим образованием ком-
плексных нерастворимых в металле соединений (MnO SiO2), легко переходящих в шлак. При недостаточном содержании в сварочной ванне марганца и кремния может происходить раскисление оксида железа углеродом
[FeO]+[C]=[Fe]+{CO}.
Образовавшийся оксид углерода может приводить к пористости.
Аналогичные процессы протекают при сварке легирован-
292
ных сталей под низкокремниестыми флюсами АН-26, ФЦЛ-2, предназначенными для сварки нержавеющих сталей. И хотя окислительное действие низкокремнистых флюсов, особенно не содержащих MnO, на металл сварочной ванны невелико, все же оно достаточно, чтобы полностью или в значительной степени окислить и перевести в шлак такие элементы, как титан, алюминий, цирконий и др. В этом случае восполнение окисленных элементов осуществляется подбором электродной проволоки соответствующего химического состава.
Для подавления процесса окисления при сварке легированных сталей используют флюсы на основе фторидных и хлоридных солей щелочных и щелочноземельных металлов. Например, флюс АНФ-5, его основу составляет CaF2(75-80%) и
NaF (17-25%).
При сварке в активных защитных газах (СО2) газовая среда дуги имеет окислительный характер. Поэтому при сварке низколегированных сталей происходит окисление как железа, так и легирующих компонентов с образованием FeO, SiO2, MnO, CO и др. В общем виде эти реакции могут быть выраж е- ны уравнением
[FeO] + [C, Si, Mn, Al и др.] ↔ (SiO2, MnO, Al2O3 и др.) + +{CO, SO2, H2O и др.} + Fe.
Для подавления реакций окисления, а также пополнения выгоревших элементов при сварке в углекислом газе низколегированных сталей применяют специальные электродные проволоки с повышенным содержанием марганца и кремния, например, Св-08ГС, Св-12ГС, Св-08Г2С и др. При применении этих проволок в зоне пониженных температур сварочной ванны протекают реакции раскисления
[FeO] + Si ↔ Fe + (SiO2),
[FeO] + Mn ↔ Fe + (MnO),
т. е. кремний и марганец раскисляют оксид железа FeO и, в дальнейшем сами окисляясь, всплывают на поверхность сварочной ванны.
293
При недостаточном содержании кремния и марганца в сварочной ванне будет происходить выгорание углерода, вызывающее кипение сварочной ванны и приводящее к образованию пор.
Впроцессе сварки высоколегированных сталей окисление (выгорание) отдельных легирующих элементов может быть столь значительным, что сталь в зоне сварки может оказаться по шкале структур сталью другого класса.
Химический состав высокопрочных сталей достаточно жестко сбалансирован. Поэтому для получения качественного соединения технология сварки должна обеспечивать надежную защиту от выгорания легирующих элементов и от растворения
вметалле шва азота (из воздуха) и водорода, выделяющегося при разложении влаги, попадающей в зону сварки. В связи с этим в качестве основных видов сварки при создании ответственных силовых конструкций принята аргонодуговая сварка и электронно-лучевая (для массивных конструкций).
Окислению сварочной ванны при сварке в среде аргона способствуют примеси, находящиеся в защитном газе в виде свободного кислорода и паров воды. При этом окисляется в основном углерод с образованием газообразного оксида СО.
Для подавления реакции окисления углерода в сварочной ванне должно находиться достаточное количество раскислителей.
Иногда к аргону добавляют некоторое количество углекислого газа (10-15%) или кислорода (до 5%). Это приводит к интенсификации процесса образования оксида углерода и кипению сварочной ванны. Бурно выделяющиеся пузырьки захватывают и выносят из ванны находящиеся в ней газы, что приводит к снижению вероятности образования пор.
Взависимости от содержания легирующих элементов стали условно можно разделить на низколегированные (содержание легирующих элементов до 4%), среднелегированные (до 9%) и высоколегированные (более 9%).
294
3.4.2. Сварка низколегированных сталей
Низколегированные стали обладают хорошей свариваемостью всеми видами сварки. Обеспечение равнопрочности металла шва нетермоупрочненных сталей не вызывает затруднений.
При сварке на форсированных режимах низколегированных сталей толщиной более 10-15 мм с содержанием углерода на верхнем пределе (0,25%) возможно образование закалочных структур в металле шва и околошовной зоне при повышенных скоростях охлаждения.
При небольшом количестве закалочных структур их влияние на механические свойства сварных соединений незначительно. Однако при увеличении доли таких структур в шве и околошовной зоне пластичность металла и его стойкость против хрупкого разрушения ухудшаются. Режим сварки большинства низколегированных сталей следует ограничивать достаточно узкими по значению погонной энергии пределами. В ряде случаев, например при микролегировании ванадием и азотом, а также другими элементами, склонность низколегированной стали к росту зерна в околошовной зоне при сварке незначительна.
Обеспечение равнопрочности металла шва с основным металлом достигается, в основном, за счет легирования его элементами, переходящими из основного металла. Иногда для повышения прочности и стойкости против хрупкого разрушения металл шва дополнительно легируют через сварочную проволоку.
Стойкость металла шва против кристаллизационных трещин при сварке низколегированных сталей в целом достаточно высокая, однако она может понижаться в связи с усилением отрицательного влияния углерода некоторыми легирующими элементами, например кремнием. Повышение стойкости против образования трещин достигается уменьшением содержания в шве углерода, серы и некоторых других элемен-
295