Сварка порошковой проволокой - Фрумин И.И.
Скачать (прямая ссылка):
6. Поведение водорода
при сварке порошковой проволокой
Водород поступает в зону дуги из материалов сердечника или покрытия, флюса или защитного газа, из окружающего воздуха, а также с поверхности свариваемого металла. Насыщение металла водородом в процессе сварки может служить причиной пористости металла. При повышенном содержании водорода в стали часто возникают локальные пересыщения в микрообъемах металла, что служит причиной появления межкристаллитных трещин. Наличие водорода снижает показатели пластических свойств и сопротивление разрушению металла шва, а при испытаниях на длительную прочность приводит к возникновению трещин, снижая тем самым усталостные свойства стали. Присутствие водорода является одной из основных причин образования флокенов в сварных швах.
В условиях низких температур растворимость водорода в железе и стали мала и составляет для чистого железа при комнатной температуре 7-10~8% [73]. В то же время в стали и сварных швах всегда содержатся значительно большие количества водорода.
Растворенные в железе атомы водорода связаны со свободными электронами металла, часть водорода может быть в виде ионов. Лишь незначительное количество избыточного водорода находится в кристаллической решетке железа, большая часть его концентрируется в микропустотах металла в газообразном состоянии либо химически связана в соединения с примесями металла [24, 73, 159].
Растворимость водорода в жидком железе изучали многие исследователи [57, 73, 135, 159, 184]. Согласно расчетам и экспериментальным данным [57, 135] максимум растворимости достигается при температуре 2450° С. Понижение растворимости по мере приближения к точке кипения объясняется влиянием паров железа, уменьшающих парциальное давление водорода. Растворимость водорода в жидком железе при парциальном давлении водорода рнг, равном 1 атм, в интервале температур 1800—2270°К описывается уравнением [56]
lg|Hj = —1,677. (39)
72
Данные о растворимости водорода в жидком железе в интервале температур плавления и кипения железа, полученные В. И. Ла-комским [58], иллюстрируются рис. 71.
Растворимость водорода в жидком железе во всем диапазоне температур подчиняется закону Сивертса. Водород отличается исключительно высокой диффузионной способностью. Температурная зависимость коэффициента диффузии водорода в жидком железе определена экспериментально для интервала температур 1547— 1726 °С [164]:
где D — коэффициент диффузии.
О влиянии примесей на растворимость водорода в жидких сплавах железа можно судить по значениям параметров взаимодействия. Для примесей, присутствующих в углеродистых конструкционных сталях, при 1600° С [73] они равны: +0,060 для углерода; +0,025 для кремния; — 0,001 для марганца, +0,010 для алюминия; — 0,070 для титана; +0,010 для серы; +0,011 для фосфора; +2,5 для кислорода. Из перечисленных элементов лишь титан увеличивает растворимость водорода в железе.
Шлак на поверхности металла препятствует проникновению водорода в металл. Лимитировать проникновение водорода могут процессы на границах раздела газовая фаза — шлак и шлак — металл, а также массоперенос через слой шлака. С ростом температуры и понижением вязкости шлака массоперенос водорода из газовой фазы в металл возрастает.
Водород и пары воды растворимы в сварочных шлаках, причем основной формой существования водорода в шлаке являются ионы гидроксила. Полагают, что растворение водорода проходит через его окисление или обменные реакции образования гидроксильных групп. С повышением основности шлаков растворимость водорода в них растет.
При электродуговой сварке в зоне плавления разогретый до высоких температур газ контактирует с относительно холодным расплавленным электродным металлом и металлом сварочной ванны. В дуговой плазме молекулярный водород диссоциирует на атомы. При температуре 5000—6000° К степень диссоциации водорода близка к единице [141]. Часть водорода в дуге находится в виде ионов [55, 93].
По данным исследований и расчетов [58, 91], с металлом взаимодействует газ, молизовавшийся в пограничном слое. Молекулы водорода, однако, не успевают полностью ассоциироваться, скорость растворения возбужденных молекул высока. С еще большей скоростью может происходить растворение ионов водорода на катоде. Этот процесс возможен лишь при значительных величинах сварочного тока. Ряд экспериментов показывает, что доля водорода, поглощенного металлом катода, «электрически» незначительна [91] для принятых на практике режимов дуговой сварки. При электродуго-
(40)
вой сварке содержание водорода в металле часто превышает стандартную растворимость его в железе. ,
Характер распределения водорода между металлом сварочной ванны и швом определяется преимущественно скоростью кристаллизации. При скоростях кристаллизации, присущих большей части дуговых способов сварки, в том числе и сварке порошковой проволокой, диффузионные процессы не получают значительного раз-
Рне. 71. Стандартная растворимость Рис. 72. Влияние крахмала в порош-водорода в жидком железе. ковой проволоке на содержание водо-
