Окисление металла защитными газами

При сварке в качестве защитных газов используют аргон, гелий, углекислый газ, кислород, ацетилен, природный газ, азот, водород и их смеси. Однако, наиболее распространена сварка в активных или окислительных защитных газах: Сварка в этих средах приводит к значительному выгоранию легирующих элементов с высоким сродством к кислороду.

5.1. Окисление металла при сварке в смесях и фагон.

При сварке в инертных газах возможность протекания реакций окисления-восстановления определяется степенью чистоты газа.

Однако, при сварке сталей по технологическим соображениям (для улучшения формирования шва, предупреждения образования пористости и уменьшения разбрызгивания металла) применяют смеси аргона с добавками от 3 до 5 % или от 5 до 20 % . В этом случае возможности окисления металла в сварочной ванне существенно возрастает. Окислительное воздействие смеси выражается в значительных потерях, таких как кремний и особенно марганец. Большие потери марганца по сравнению с его исходной концентрацией в проволоке и увеличение этих потерь с возрастанием содержания кислорода в защитной среде объясняются в основном его окислением и испарением.

Окисление паров должно снижать их парциальное давление в газовой фазе и, следовательно, вызывать более интенсивное испарение этого элемента, а потому и возрастающие потери.

Зависимость степени окисления легирующих элементов при сварке в смесях от режима сварки объясняется влиянием последнего на условия взаимодействия металла с газовой фазой. С удлинением дуги, например, увеличивается окисление металла на стадии капли, ухудшаются условия защиты сварочной ванны от воздуха. Увеличение силы тока способствует уменьшению окисления металла.

5.2. Окисление металла при сварке в и его смесях с кислородом.

Углекислый газ при сварке плавлением является активным окислителем по отношению к наплавленному металлу в зоне плавления. Окисление железа и легирующих элементов стали углекислым газом может идти двумя путями:

(31)

(32, 33)

Взаимодействие расплавленного железа с углекислым газом может быть выражено уравнением

(34)

Температурная зависимость реакции (34)

(35)

и имеет вид

(36)

Подсчитанные на основании уравнений (35) и (36) равновесные отношения указывают, что является активным окислителем железа – равновесные отношения при всех температурах имеют незначительное значение.

Окислительная роль подтверждается также возможностью его диссоциации по уравнению

(37)

Зависимость константы равновесия этой реакции от температуры описывается уравнением

(38)

Если принять суммарное давление смеси газов, образующейся при диссоциации , равный 0,1 МПа, то

(39)

Поскольку при диссоциации двух молекул образуются две молекулы и одна , получим

(40)

Решая совместно уравнения (38) - (40), можно для заданной температуры рассчитать состав газовой фазы, состоящей из чистого , а затем с учетом образования и .

Результаты этих расчетов показывают, что парциальное давление кислорода, образующиеся при диссоциации в интервале температур сварочной ванны, существенно превышает упругость диссоциации , насыщающий жидкий металл ванны.

С учетом сказанного, очевидно, что смеси и смеси будут окислительной средой по отношению к наплавленному металлу. Однако наибольшей окислительной способностью обладают смеси . Действительно, добавление кислорода вызывает уменьшение содержания элементов-раскислителей и повышение содержания кислорода в металле шва.

На основе экспериментальных данных Новожиловым Н.М. была предложена следующая схема окислительно-восстановительных процессов при дуговой сварке в активных защитных средах.

В сварочной ванне одновременно протекают два противоположных процесса: окисление жидкого металла и его паров защитным газом; «осаждающее» раскисление металла сварочной ванны электродным (присадочным) или основным металлом. При этом продукты окисления определяют состав образующегося на поверхности металла шлака, а продукты раскисления оказывают определяющее влияние на состав оксидных включений в металле шва.

Иначе говоря, при сварке в и его смесях металл не только теряет активные элементы-раскислители в результате воздействия окислительной среды, но и одновременно насыщается кислородом. Это связано с тем, что с повышением температуры уменьшается сродство к кислороду элементов-раскислителей. В результате в высокотемпературной области сварочной ванны кислород может сосуществовать в значительных концентрациях даже с такими активными элементами как С понижением температуры из-за сдвига равновесия в сторону меньших значений сосуществующих концентраций кислорода и раскислителя проходит их взаимодействие по реакции

(41)

Для элементов, образующих нерастворимые в металле оксиды в виде конденсированной фазы, такие реакции являются «осаждающими», а их продукты – дисперсные включения оксидов в металл шва.

Таким образом, шлак на поверхности сварного шва состоит из продуктов окисления металла защитным газом, а неметаллические включения в металле шва – из неметаллических включений, содержащихся в основном металле, электродной проволоке, а также продуктов раскисления, образующихся при взаимодействии металла сварочной ванны с электродным и основным металлами.