4.2. Окисление влагой сварочных материалов.

При дуговой сварке в зоне плавления могут возникать большие парциальные давления паров воды. Ее источниками являются влага электродных покрытий и сварочных флюсов, плохо осушенный защитный газ, влага ржавчины на свариваемых кромках.

При высоких температурах водяной пар диссоциирует:

(20)

Учитывая природу строения сварочных шлаков, взаимодействие влаги с металлом при сварке под флюсом представляется уравнением

То есть по отношению к жидкой ванне при температурах сварки водяной пар может стать активным окислителем, а водород может частично растворяться металле.

Следовательно, при сварке стали реакция взаимодействия водяного пара с жидким металлом имеет вид

(21)

Константа равновесия этой реакции

При этом наличие элементов раскислителей в сварочной ванне, снижающих концентрацию кислорода в наплавленном металле, будет способствовать большему усвоению водорода.

Учитывая вредное влияние водорода в металле, при повышении степени раскисления металла шва необходимо принимать меры по ограничению влаги в сварочных материалах и на поверхности заготовок.

4.3. Окисление сварочной ванны шлаками, содержащими FeO.

Если оксид, способный раствориться в металле, присутствует в шлаке, то по закону распределения

где - константа распределения, и - содержание оксида в металле и в шлаке соответственно.

При относительно низкой концентрации оксида в металле и относительно высокой в шлаке возможен переход оксида из шлака в металл.

Такой переход (при сварке под флюсом), как правило, сопровождается окислением более активных элементов. Например, при сопоставлении исходных концентраций элементов в сварочной ванне с содержанием их в верхнем слое девятислойной наплавки, выполненной проволокой СВ-08ХГСМФ, установлено, что с увеличением содержания во флюсе в сварочной ванне наиболее интенсивно окисляются и , меньше и , почти не окисляется. Окислительные процессы идут как в дуговом промежутке, так и в сварочной ванне.

4.4. Окисление сварочной ванны химически активными оксидами.

При наличии в зоне сварки шлаков, содержащих относительно непрочные оксиды металлов, в высокотемпературной части реакционной зоны на границе шлак-металл, возможно развитие реакций вида (10):

Учитывая, что большинство флюсов для сварки сталей содержат в больших количествах оксиды кремния и марганца, важное значение имеют кремне- и марганцевосстановительные процессы. Их можно описать реакциями вида:

(22)

(23)

Оксид - продукт реакций (22) и (23), частично растворяется в шлаке, а частично в жидком металле сварочной ванны. и переходят в металлическую ванну. В результате этих реакций жидкий металл обогащается с одной стороны и , а с другой – кислородом.

Исходя, из ионной теории шлака эти процессы можно рассматривать, как процессы обмена зарядами атомов и ионов элементов, находящихся в металле и шлаке.

Поэтому уравнения (22) и (23) в ионной форме имеют вид

Увеличение концентрации кислорода в результате этих реакций можно объяснить следующем. Ион кислорода не может перейти в металл без сопровождающего его катиона, который обладает равным положительным зарядом, так как в противном случае нарушится электроотрицательность контактирующих фаз (шлак - Ме). Таким катионом и является .

В ионной форме переход кислорода в ванну металла можно представить схемой

При снижении температуры, например, в хвостовой части ванны, растворенный в жидком металле кислород начинает взаимодействовать с , и другими элементами стали. Это происходит потому, что сосуществующие концентрации этих элементов оказываются выше равновесных и начинается процесс окисления. Это приводит к образованию мелкодисперсных включений в металле шва.

для реакции (22) имеет вид:

(24)

Анализ показывает, что увеличивается с повышением температуры. Поскольку большинство сварочных материалов для сварки стали имеет низкое содержание монооксида железа, выражается более простым уравнением

(25)

Температурная зависимость (25) имеет вид

(26)

Анализ процесса с помощью уравнения (26) показывает, что с повышением температуры сварочная ванна при достаточном количестве кремнезема в шлаке будет обогащаться кремнием с одной стороны и кислородом с другой. При снижении температуры начнется процесс окисления кремния кислородом, однако, конечная концентрация в кристаллизующемся металле будет выше исходной.

Хотя термодинамические расчеты для реакций системы являются приближенными, они показывают, что возможно присутствие в сварочной ванне низшего оксида кремния и поэтому окисление может идти не только по реакции (22), но и по реакции

(27)

При снижении температуры в сварочной ванне возможно протекание реакции

(28)

Таким образом, при спаде температуры сварочная ванна обогащается одновременно кремнием и его диоксидом, который частично переходит в шлак, частично остается в наплавленном металле, образуя неметаллические дисперсные оксидные включения на основе кварцевого стекла.

Анализ константы равновесия реакции окисления железа монооксидом марганца , которого достаточно много может быть в шлаке, показывает, что она растет с повышением температуры. Поскольку флюсы для сварки стали имеют преимущественно низкое содержание , значение для реакции (23) описывается уравнением

(29)

Температурная зависимость имеет вид

(30)

Концентрации кислорода, рассчитанные по уравнению (30) свидетельствуют, что с повышением температуры сварочная ванна с одной стороны будет обогащаться марганцем, с другой кислородом в виде оксида железа.

Анализ показывает, что восстановление марганца железом при соответствующих концентрационных условиях должно осуществляться во всех зонах сварочной ванны, однако, наиболее интенсивно этот процесс протекает до температуры 2051 К. Поэтому марганец как раскислитель наиболее активен в низкотемпературных зонах сварочной ванны, тогда как кремний активен и при более высоких температурах.

При снижении температуры сосуществующие концентрации и окажутся выше равновесных, и образование оксидных включений происходит в этом случае примерно по той же схеме, что и при восстановлении . Однако, количество кислорода в виде , остающегося в закристаллизовавшемся металле, при восстановлении, например, 0,1 % будет примерно в 3 раза меньше по сравнению с концентрацией его в виде включений при восстановлении 0,1 % .