Забруднення металу шва
У процесі нагрівання при зварюванні молекули кисню, азоту та водню, що містяться в повітрі, розпадаються на атоми і іони. В атомному стані вони мають високу хімічну активність і порівняно легко утворюють хімічні сполуки з елементами, що входять до складу сталі. У свою чергу, хімічні сполуки можуть розчинятися в залозі, що становить основу стали (понад 99%). Здатність розчинення хімічної сполуки в залозі тим вище, чим більше температура нагріву 'і менше вміст вуглецю в стали. Наприклад, закис заліза FeO при температурі плавлення заліза 1539 ° С розчиняється в залозі до концентрації 021% кисню, нітриди заліза Fe4N і FesN - до 0065% азоту, атомарного водню - 0008%, сульфіду заліза FeS - до 07% сірки , також багато розчиняється в залозі фосфидов Fe3P, Fe2P, FeP.
Розчинність цих сполук ще більше при температурі кипіння заліза, що дорівнює 2460 ° С.
Якщо суміш цих розчинів раптово охолодити до кімнатної температури, то вся маса металу буде перебувати в стані перенасиченого твердого розчину, що володіє досить великою крихкістю.
Однак з плином часу з твердих розчинів випадають окремі компоненти. Вони утворюють нову структуру, що відрізняється від структури основного металу.
Розпад будь-якого твердого розчину протягом тривалого часу називають хімічним старінням металу. Зазвичай воно супроводжується зниженням в'язкості і пластичності металу і в цьому відношенні є шкідливим процесом. Тому не можна допускати насичення зварного шва шкідливими домішками, що знаходяться в розчині.
Джерелами насичення шва шкідливими речовинами служить навколишнє повітря, іржа, масло, волога, мінерали, що входять до складу зварювальних матеріалів, хімічні сполуки, що утворюються в процесі взаємодії зварювальних матеріалів з розплавленим металом.
Боротьба з забрудненнями металу шва виробляється в процесі утворення крапель на торці електрода, при перенесенні крапель в зварювальну ванну і в самій зварювальної ванні в процесі нагрівання і охолоджування її. Застосовуються фізичний і хімічний способи боротьби з забрудненнями металу шва.
Фізичний спосіб боротьби з забрудненнями полягає в сушінні і прожаренні зварювальних матеріалів для видалення з них вологи, а отже, кисню і водню, у видаленні іржі, масла і вологи з поверхонь деталей, що зварюються; в створенні газової та шлакової оболонок навколо дуги, що перешкоджають проникненню повітря.
Хімічний спосіб боротьби з забрудненнями складається в раскислении металу зварювальної ванни, а також у видаленні сульфідів, фосфидов, нітридів і водню за допомогою хімічних реакцій. В результаті цих реакцій утворюються нові хімічні сполуки, нерозчинні в залозі і переходять у зварювальний шлак.
При високих швидкостях охолодження нерозчинні сполуки, що містять кисень, азот, водень, сірку і фосфор, внесені зварювальними матеріалами або з повітря, можуть залишитися в шві у вигляді оксидів, нітриду, газів, сульфідів і т. П. І тим самим погіршити механічні властивості металу шва. Але негативний вплив цих домішок менше тих, які знаходяться в розчині.
Різні забруднення (неметалеві включення) видаляються з металу шва флюсами-розчинниками, що вводяться до складу зварювальних матеріалів (дріт, покриття штучних електродів, флюси, порошки в порошкової дроту і т. Д.). Флюси-розчинники утворюють із забруднюючими речовинами легкоплавкую механічну суміш, що має низьку питому щільність. Вона легко спливає наверх і переводить шкідливі речовини з металу шва в шлак.
Хорошим флюсом-розчинником, який часто застосовується в зварювальних матеріалах, є плавиковий шпат (CaF2).
Плавиковий шпат також і хімічно взаємодіє з азотом і воднем, утворюючи нерозчинні в залозі речовини, які видаляються з зварювальної ванни в шлак. Атомний фтор, що виділяється з фтористого кальцію при високій температурі, з'єднується з атомним азотом або з атомним воднем і утворює фтористий азот NF або фтористий водень HF, які не розчиняються в залозі і легко видаляються з металу шва в шлак (NF) 'і у вигляді газу (HF) в атмосферу.
Хімічним взаємодією між рідким металом і неметалічними речовинами можна не тільки очищати метал від забруднень, але і легувати його. Під легированием розуміють введення в метал шва різних елементів (хром, нікель, марганець і ін.), Які надають йому задані властивості (міцність, в'язкість, корозійну стійкість і ін.).
Мал. 1. Кристалізація металу шва:
а - дендритная (столбчатая) структура однопрохідного шва, б - дендрит А (збільшений), т - неповністю оплавлене зерно основного металу; 1 - вісь першого порядку кристалізації, 2 - вісь другого порядку, 3 - вісь третього порядку, гуртки-зародки кристалізації (майбутні зерна)