Рафинирование металла сварочной ванны при дуговой сварке. Способы снижения и удаления серы и фосфора.

Параллельно с раскислением при сварке происходит рафинирование металла шва, которое заключается в освобождении шва от шлаковых включений и вредных примесей, например серы и фосфора. Эти элементы попадают в покрытия электродов, наполнители порошковых проволок и флюсы с исходными шихтовыми материалами.

Содержащаяся в стали сера практически нерастворима в твердом железе и находится в виде сульфида железа FeS с температурой плавления 1193°С. С железом сульфид железа образует легкоплавкую смесь (эвтектику) с более низкой температурой плавления - 985°С (температура плавления стали 1400-1500°С). При затвердевании сварочной ванны и росте кристаллов эвтектические образования долгое время не твердеют и остаются в жидком состоянии в виде прослоек между зернами, ослабляя связи между ними. При возникновении растягивающих напряжений (а такие напряжения при сварке присутствуют всегда) эти связи разрываются, образуя горячие трещины.

С повышением содержания серы в расплаве склонность стали к образованию трещин резко возрастает. Возрастает она также и при сварке сталей, содержащих в повышенных концентрациях никель. В этом случае на базе сульфида никеля NiS образуются эвтектики с очень низкой для стали температурой плавления - всего 644°С. Усиливать вредное действие серы могут и другие элементы, в частности углерод, особенно при сварке углеродистых и низколегированных сталей.

В связи с этим для получения качественного шва содержание серы в расплавленном металле сводят к минимально возможному уровню. С этой целью ограничивают содержание серы в основном металле и в электродах, а расплав в процессе сварки подвергают специальной рафинирующей обработке. Эта обработка заключается в переводе серы из расплавленного металла в шлак с помощью вводимого в расплав более активного элемента - марганца и посредством воздействия содержащихся в шлаке оксидов марганца и кальция. При этом проходят следующие реакции:

FeS + Mn = MnS + Fe;

FeS + MnO = FeO + MnS;

FeS + CaO = FeO + CaS.

Сульфиды марганца и кальция мало растворимы в жидком металле и переходит в шлак.

Присутствие фосфора в стали также ухудшает ее механические свойства, вызывая хладоломкость - резкое снижение пластичности и вязкости, особенно при пониженных температурах. Он повышает склонность металла к образованию горячих трещин. В отличие от серы фосфор растворяется в железе и может находиться в металле шва как в растворенном состоянии, так и в виде легкоплавких включений - фосфидов железа Fe₂P и Fe₃P, а также фосфидных эвтектик, располагающихся по границам зерен. Возможность образования таких включений и, как следствие, склонность к образованию горячих трещин тем больше, чем выше концентрация фосфора и ниже его растворимость в твердом металле. Так как растворимость фосфора в аустените меньше, чем в феррите, опасность образования трещин от фосфора значительно больше в швах с аустенитной структурой, часто получаемых при сварке высоколегированных сталей.

Влияние серы и фосфора на образование горячих трещин взаимно усиливается тем, что места ликвации соединений этих элементов в металле шва совпадают. Углерод также усиливает вредное действие фосфора. Можно отметить, что при обычных концентрациях фосфора в швах, получаемых при сварке углеродистых и низколегированных сталей, он горячих трещин не вызывает.

Уменьшения концентрации фосфора в расплавленном металле добиваются, ограничивая его содержание в основном металле и в электродах, а также удаляя фосфор из расплава путем его окисления и связывания полученного фосфорного ангидрида в нерастворимые в металле шлакующиеся комплексные соединения.

Процесс обесфосфоривания расплавленного металла при сварке можно описать следующими реакциями:

2Fe₂P + 5FeO = Р₂О₅ + 9Fe; 2Fe₃P + 5FeO = Р₂О₅ + 11Fe;

ЗСаО + Р₂О₅ = (СаО)₃Р₂О₅; 4СаО + Р₂О₅ = (СаО)₄Р₂О₅.

Полученное соединение оксида фосфора с оксидом кальция не растворяется в стали и переходит в шлак.

В металле швов, выполненных ручной дуговой сваркой, содержание серы, как правило, не превышает 0,030-0,040% для углеродистых и низколегированных сталей и 0,015-0,025% для высоколегированных сталей; содержание фосфора не превышает соответственно 0,035-0,045 и 0,015-0,035%.

Для связывания и удаления водорода из металла шва в состав покрытий электродов, наполнителей порошковых проволок и сварочных флюсов вводят плавиковый шпат, основной составляющей которого является CaF₂. Имеющийся обычно в сварочных материалах SiО₂ вступает с ним в реакцию:

2CaF₂ + 3SiО₂ - 2CaSiО₃ + SiF₄.

Образовавшийся газ SiF₄ взаимодействует с водородом или парами воды:

SiF₄ + ЗН = SiF + 3HF;SiF₄ + 2Н₂О = SiО₂ + 4HF,

при этом фтористый водород удаляется из зоны сварки, что способствует уменьшению содержания водорода в металле.

Защита расплавляемого при сварке металла от азота воздуха осуществляется шлаком и газом, образующимися при плавлении электродного покрытия, наполнителя порошковой проволоки или флюса. Шлак хорошо покрывает капли расплавляемого электродного металла, переходящие в ванну, а также поверхность ванны, предохраняя от азота, и способствует всплыванию и удалению шлаковых включений и пор. Газовая защита образуется за счет разложения и диссоциации некоторых материалов: мрамора, магнезита, органических компонентов и др. Например, в состав электродных покрытий типа У0НИ-13/45 входит мрамор, при разложении которого образуется углекислый газ

СаСО₃ = СаО + СО₂.

Образовавшийся СО₂ хорошо защищает ванну металла от воздуха, хотя и является окислительным газом, но его окислительное действие нейтрализуется ферросплавами Si и Мn, входящими в состав покрытий, что будет показано ниже.

Для сварки плавлением применяют защитные газы - инертные и активные. Инертные газы аргон и гелий хорошо защищают расплавляемый металл от воздуха. Однако, если в основном или присадочном металле содержится FeO, то он вступает в реакцию с углеродом металла

FeO + С = Fe + СО

Образовавшийся СО₂ не растворяется в стали и при кристаллизации образует пористость шва. Такой дефект часто наблюдается при сварке в аргоне низкоуглеродистой и легированной стали; для его устранения добавляют в аргон 10 - 20% СО₂ или 5% О₂, которые, интенсивно соединяясь с углеродом, вызывают кипение ванны расплавленного металла и удаление из нее газов СО и Н₂. Применение такой смеси способствует мелкокапельному переносу металла с электрода в шов и лучшему его формированию.

При сварке в защитном углекислом газе СО₂ обеспечивается хорошая защита расплавляемого металла от окружающего воздуха. Однако СО₂ является активным газом, окисляющим Fe по реакциям:

СО₂ + Fe ↔ СО + FeO;

СО₂ ↔ СО + О;

Fe + О ↔ FeO.

Процессы окисления Fe, а также Mn, Si, Спо реакциям и других элементов происходят в передней части ванны при высокой температуре. В задней части ванны, где температура понижается, происходит по реакциям восстановление Fe, но для этого необходимо иметь достаточное количество раскислителей - Мn и Si. Поэтому при сварке а СО₂ применяют электродную проволоку с повышенным содержанием указанных элементов, что обеспечивает хорошее раскисление металла.

Физико-химические процессы, происходящие при сварке с защитой расплавляемого металла указанными методами, обеспечивают получение качественного шва с небольшим содержанием кислорода и азота. Шов, выполненный электродами УОНИ-13/45, содержит кислорода 0,02 - 0,03% и азота 0,02 - 0,05%, а выполненный автоматизированной сваркой под флюсом ОСЦ-45 содержит кислорода 0,03 - 0,05% и азота 0,002 - 0,003%. Еще более положительные результаты обеспечиваются сваркой в контролируемой атмосфере или вакууме.