Металлургические процессы при сварке характеризуются сосредоточенной на маленьком участке металла большой температурой, высокой скоростью кристаллизации расплавленного металла сварочной ванны и небольшим его объемом, а также сложными физическими и химическими явлениями, протекающими при переходе расплавленного металла электродного стержня в сварочную ванную и взаимодействием его и металла сварочной ванны с окружающей газовой средой, шлаками расплавленных покрытий и основным металлом.
В отличие от обычного металлургического процесса протекающие в сварочной ванне химические реакции не достигают равновесия, что обусловливается небольшим объемом расплавленного металла в сварочной ванне и кратковременным его пребыванием в жидком состоянии. Во время расплавления металла при сварке происходит окисление и восстановление различных элементов и легирование сварного шва, а также диссоциация газов. Металлургические процессы, происходящие при сварке плавлением, должны обеспечивать получение наплавленного металла с определенным химическим составом, требуемыми механическими свойствами и с необходимой макро- и микроструктурой.
Сварочная ванна образуется за счет плавления присадочного и основного металлов. Под сварочной ванной (или зоной плавления) необходимо подразумевать собственно ванну жидкого металла, капли, образующиеся на конце присадочного материала, и капли, находящиеся в пути в дуговом или шлаковом промежутке. Кристаллизация жидкого металла в сварочной ванне начинается с неполностью оплавленных зерен основного металла. После кристаллизации металла шва на участках расплавления основного металла образуются зерна, состоящие из основного металла и металла шва и обеспечивающие в сварном соединении непрерывную металлическую связь «основной металл – шов - основной металл». При движении источника теплоты вдоль свариваемых кромок в передней части сварочной ванны происходит процесс плавления, а в хвостовой части - процесс кристаллизации. Длина сварочной ванны зависит от теплофизических свойств свариваемого материала, тепловой мощности сварочной дуги и режимов сварки.
Жидкий металл в сварочной ванне в результате перемещения источника теплоты находится в непрерывном движении и перемешивании, жидкий металл из сварочной ванны всегда вытесняется в направлении, противоположном движению источника теплоты, и в месте вытеснения образуется углубление, называемое кратером.
Исходная концентрация любого элемента в сварном шве складывается из долей участия основного металла, присадочного материала и защитного покрытия.
Химическое сродство элементов к кислороду. Для регулирования происходящих химико-металлургических процессов в сварочной ванне необходимо знать, какие элементы быстрее всего соединяются с кислородом, т. е. обладают большим сродством к кислороду. Элементы, обладающие большим сродством к кислороду, чем железо, способствуют его восстановлению из окислов. При этом не следует думать, что элементы, обладающие большим сродством к кислороду, окисляются полностью и в первую очередь, чем другие элементы, имеющие меньшее сродство к кислороду. Реакции окисления и восстановления проходят одновременно и не до конца, а до определенного состояния равновесия. Если в момент прекращения реакции окисления какого-либо элемента часть этого элемента при этом не будет окислена, а будет находиться в свободном состоянии, то вследствие установившегося равновесия элемент раскисляющего действия на окислы железа уже не оказывает.
Из сказанного выше можно сделать вывод, что сродство элементов к кислороду, а следовательно, и их сила раскисления не являются постоянной величиной или свойством, присущим только какому-то отдельному элементу, а зависит от концентрации злемента-раскислителя в рассматриваемый момент, температуры, при которой протекает реакция, и других факторов.
Диссоциация простых и сложных газов. В результате столкновений и ударов в зоне высокой температуры сварочной дуги происходит распад молекул газа на атомы. Молекулярный водород, кислород и азот распадаются и переходят в атомарное состояние: Н₂↔2Н; О₂↔2O; N₂↔2N.
Атомарный кислород, азот и водород обладают большей активностью и интенсивнее растворяются в металле, ухудшая его свойства - снижают пластичность и повышают хрупкость.
В состав многих покрытий и флюсов вводится плавиковый шпат CaF₂, который, разлагаясь при высокой температуре, выделяет фтор (CaF₂↔CaF+F). Фтор ухудшает условия горения сварочной дуги вследствие большого сродства к электрону, при температуре душ порядка 6000К диссоциация фтора достигает очень .больших размеров. Однако диссоциированный фтор выполняет весьма важную положительную роль в металлургическом процессе сварочной ванны: он связывает водород в молекулы, обладающие высокой стойкостью (H+CaF₂↔CaF+HF).
Многие покрытия и флюсы в своем составе имеют карбонат кальция СаСО₃ (мел и мрамор), который, разлагаясь, выделяет углекислый газ СаСО₃↔СаО+СО₂.
С увеличением температуры наряду с разложением большого количества карбоната кальция происходит также диссоциация углекислого газа 2СО₂↔2С0+О₂.
Взаимодействие кислорода с расплавленным металлом сварочной ванны. В зоне сварочной дуги имеются газовая, шлаковая и металлическая фазы.
При изучении реакций, протекающих в сварочной ванне, следует учитывать возможность окисления жидкого металла свободным (молекулярным и атомарным) кислородом газовой фазы, кислородом, находящимся на свариваемых кромках в виде окислов и шлаков, и кислородом, растворимым в металлической ванне и химически активных шлаках, которые вступают в процессе .сварки в обменные окислительные и восстановительные реакции с металлом сварочной ванны. Находящийся в газовой фазе молекулярный и атомарный кислород соединяется с металлом сварочной ванны.
Железо с кислородом образует три соединения (оксида), имеющих весьма важное значение в металлургических процессах, происходящих при сварке плавлением: оксид железа FeO, содержащей 22,27% О₂, оксид железа Fe₃О₄, содержащий 27,64% О₂, оксид железа Fe₂O₃, содержащий 30,06% О₂.
Из всех трех оксидов растворим в железе только FeO. Остальные оксиды в железе практически нерастворимы в на его свойства влияния почти не оказывают. Однако окалина и ржавчина на свариваемых кромках, содержащие высшие оксиды, свободным железом могут раскисляться по реакциям Fe₃О₄+Fe=4FeO, Fe₂O₃+Fe=3FeO.
Образующийся оксид железа растворяется частично в шлаке и частично в расплавленном металле, вследствие чего в сварном шве образуются поры. В твердом железе растворимость кислорода невелика.
Для уменьшения растворимости оксида в металле необходимо иметь соответственно более низкую концентрацию оксида в шлаке, в результате он будет стремиться перейти из металла в шлак. Наоборот, более высокая концентрация оксида в шлаке способствует его переходу в металл. Металл может окисляться и под действием химически активных (по кислороду) оксидов, например кремния и марганца: SiO₂+2Fe_ж=2FeО+[Si]; MnO+Fe_ж=FeO+[Mn], где индекс «ж» указывает, что Fe находится в виде расплава, а знак [ ], что элемент растворен в металлической фазе.
При наличии в газовой фазе сложных газов, таких, как, например, СО₂ и H₂О, которые при диссоциации выделяют кислород, также происходит окисление металла сварочной ванны.
Если жидкий металл содержит элементы-раскислители, которые имеют большее сродство к кислороду, чем металл сварочной ванны, то в этом случае концентрация кислорода в сварочной ванне может быть значительно уменьшена за счет элементов раскислителей.