Рис. 2-49.

Диаграмма растворимости водорода и азота в железе

Однако затем следует снижение растворимости водорода, т. е. кривые растворимости водорода, а также некоторых других газов имеют восходящую и нисходящую ветви (см. рис. 2-49). Такой характер зависимости растворимости обусловлен влиянием паров самого металла. С повышением температуры упругость паров металла повышается, что соответственно снижает парциальное давление газа. При температуре кипения металла атмосфера над ним полностью состоит из паров металла, а парциальное давление газа равно нулю. Поэтому в кипящем металле водород и другие газы не растворяются.

При температуре плавления металла наблюдается резкое изменение растворимости газа. Ввиду того, что в твердом металле растворимость газа меньше, чем в жидком, при затвердевании металла газ должен из него удаляться. При неблагоприятных условиях это выделение может сопровождаться образованием пористости (см. § 35).

Большинство промышленно важных металлов взаимодействуют с кислородом и азотом с образованием химических соединений, которые или растворяются в металле, ухудшая его качество, или же удаляются в шлак. Поэтому весьма важно обеспечить надежную защиту зоны сварки от доступа воздуха. Особенно тщательной должна быть защита таких химически активных металлов, как титан, алюминий и их сплавы. С этой целью рекомендуется применять инертную атмосферу или инертный флюс. Такую же защиту рекомендуется применять при сварке сталей и сплавов, содержащих химически активные элементы. При сварке титана и его сплавов необходимо защищать не только зону сварки, но и участки металла, нагретые до температуры свыше 300° С.

Кроме кислорода воздуха жидкий металл может окисляться водяным паром, двуокисью углерода и другими кислородсодержащими газами, присутствующими в зоне сварки. При электрошлаковой сварке кислород, а также водород могут передаваться металлу из окружающей атмосферы через жидкий шлак.

Испаряясь, металл, в свою очередь, влияет на состав газовой фазы, изменяя этим условия прохождения дугового разряда, а также электронного или лазерного излучения. Это испарение носит избирательный характер, причем интенсивнее испаряются элементы с более высокой упругостью пара. При сварке стали,

например, наиболее интенсивно испаряется Марганец, при сварке латуни - цинк. В результате избирательного испарения заметно снижается концентрация летучих элементов в мегалле шва, что необходимо учитывать при разработке технологии сварки.

Длительность взаимодействия жидких шлака и металла при сварке плавлением обычно невелика. При дуговой сварке она может колебаться от 10 с до 1 мин, а при электрошлаковой сварке достигать нескольких минут. Это взаимодействие прекращается после затвердевания металла и шлака.

Несмотря на относительную кратковременность, реакции взаимодействия шлака и металла при электродуговой сварке могут проходить довольно энергично, что обусловлено высокими температурами нагрева металла и шлака, большими поверхностями их контактирования и сравнительно большим относительным количеством шлака. Последнее в среднем составляет 30-40% массы металла сварочной ванны при сварке под флюсом и до 10% - при сварке по флюсу. Примерно такие же количества шлака образуются и при ручной дуговой сварке качественными электродами. В связи с весьма небольшим расходом флюса при электрошлаковой сварке металл и шлак взаимодействуют слабее, чем при дуговой.

Происходящие между жидким шлаком и металлом реакции взаимодействия являются или реакциями замещения, т. е. вытеснения из шлака в металл одного элемента другим, или же реакциями распределения элемента между металлом и шлаком. Реакции замещения могут быть записаны в молекулярной или ионной форме в зависимости от принятых взглядов на строение жидкого шлака. Так, например, реакции восстановления кремния и марганца из шлака железом, при принятии молекулярной теории строения шлаков, записывают так:

(SiOa) + 2 [Fe] 2 (FeO) + [Si]; (2-15)

(MnO) + [Fe] (FeO) + [Mn].

Символы в квадратных скобках здесь и далее обозначают металлическую фазу, в круглых скобках - шлаковую фазу. В ионной форме указанные реакции имеют вид

(Si*+) + 2 [Fe]2 (Fe2+) + [Si];

(Мп2+) + [Fe] (Fe2+) + [Mn].

Различие между молекулярной и ионной формой записи ре акций замещения состоит в том, что принимают существующими в шлаке и реагирующими с металлом или молекулы свободных окислов, или ионы. Стрелки в уравнениях реакций показывают, что взаимодействие может идти в обоих направлениях. При высоких температурах указанные реакции преимущественно идут слева направо (восстановление кремния и марганца из шлака). При снижении температуры равновесие этих реакций смещается справа налево, т. е. марганец и кремний окисляются и переходят

7* 99

йэ металла в шлак. Направление прохождения реакций зависит также от концентраций (вернее активностей) реагирующих веществ.

Реакции распределения записывают так:

[FeS] (FeS).

В данном случае сера распределяется между шлаком и металлом путем перехода через межфазную границу молекул сульфида железа. Такой характер распределения серы наблюдается при взаимодействии с жидкой сталью кислого шлака.

Ввиду существенной зависимости взаимодействия фаз от температуры рассмотрим характер изменения температуры металла в процессе сварки. Термические циклы, которые проходят основной и электродный металлы при сварке, неодинаковы. Капли расплавленного электродного металла пролетают через дуговой промежуток или переходят через шлаковую ванну. При этом поверхность их нагревается до высоких температур (при переходе через дуговой промежуток - до температуры кипения металла). Затем капли попадают в сварочную ванну. Основной металл свариваемых кромок подвергается менее интенсивному воздействию дуги или шлаковой ванны, а поэтому меньше перегревается над температурой плавления. Последующее охлаждение попавших в сварочную ванну основного и электродного металлов происходит совместно. В связи с этим металлургические реакции между металлом и шлаком в разных частях сварочной зоны проходят по-разному.

О характере прохождения металлургических реакций в разных частях сварочной ванны можно судить по химическому составу металла на конце электрода. После прекращения сварки на конце электродной проволоки обычно остаются капли затвердевшего металла. Они представляют собой оплавленный, но не прошедший через дугу электродный металл. В табл. 2-7 приведены данные о составе капель на конце электродной проволоки и металла шва, сваренного под флюсом АН-348 независимой дугой, неплавящимся и плавящимся электродами. В качестве основного металла использовали кипящую низкоуглеродистую сталь, электродного - сварочную проволоку Св-08А. В результате взаимодействия жидких флюса и металла последний обогащается кремнием и марганцем.

Как видно из табл. 2-7, больше всего кремния и марганца содержится в металле шва, сваренного независимой дугой. Это свидетельствует о том, что интенсивнее всего реагирует с флюсом электродный металл, попадающий в шов через дуговой промежуток. Однако и в других участках зоны сварки, находящихся вблизи дуги, - на конце электрода, в передней части сварочной ванны, металлургические реакции идут в том же направлении. При понижении температуры металла и флюса реакции идут в обратном направлении. Это позволяет условно разделить зону сварки на две области. Первая из них находится вблизи дуги, где плавятся ме-