Взаимодействие расплавленного металла с водородом. Пути снижения содержания водорода в металле шва

Источниками водо­рода газовой фазы являются попадающая в зону дуги влага (атмосферная, содержащаяся в электродном покрытии и в ржав­чине Fe(OH)₃, находящаяся на кромках свариваемых деталей и других местах, связанных со сваркой), а также содержащиеся в по­крытии углеводы (целлюлоза , карбоксилметилцеллюлоза, древесная мука). При высоких температурах сварки превра­тившаяся в водяной пар влага диссоциирует по реакции (5) и реа­гирует с железом, ферросплавами и другими металлами по реакциям (7) и (9) с образованием водорода, кислорода и оксидов метал­лов. Высокотемпературный распад углеводов тоже сопровождается выделением водорода. Таким образом, в той или иной мере водо­род присутствует в газовой фазе всегда, при этом он находится в молекулярном и, в большей степени чем азот, в атомарном состоя­нияхПри контакте с расплавленным металлом водо­род интенсивно растворяется в нем, подчиняясь зависимости

Н₂СНН₂+0, 50₂ (5)

Fe+H₂0=Fe0+H₂; (7)

Ме+Н₂0=Ме0+Н₂ (9)

где [H] — равновесное содержание водорода в металле; - общее парциальное давление соответственно атомарного и моле­кулярного водорода; — степень диссоциации водорода при дан­ной температуре; К_н - коэффициент пропорциональности, уве­личивающийся с повышением температуры.

Особенно активно поглощение водорода расплавленным металлом происходит на стадии формирования и переноса через дуговое пространство электродных капель, имеющих более разви­тую поверхность и более высокую температуру разогрева по сравнению с металлом сварочной ванны. При сварке электродами с рутиловым покрытием 50-80% водорода вносится в ванну каплями.

Общий характер изменения растворимости молекулярного водорода в железе от температуры при парциальном давлении

МПа приведен на рис. 23. Он подобен аналогичной зави­симости для азота. При этом максимальная расчетная раствори­мость водорода в железе, равная 42, 5 мл/100 г, наблюдается в ин­тервале температур 2400-2500°С.

На растворимость водорода в жидких сталях влияют содер­жащиеся в них легирующие элементы и кислород. Титан, цирко­ний, ванадий повышают растворимость, а углерод, кремний и алюминий — понижают ее. Однако влияние этих элементов за­метно проявляется лишь при повышенных концентрациях, часто не свойственных углеродистым и низколегированным сталям. Кислород весьма существенно снижает растворимость водорода в жидком железе, углеродистых и низколегированных сталях. Так, с ростом содержания кислорода растворимость водорода в желе­зе при температуре 1610°С убывает с 24, 4 мл/100 г при 0, 01% 0₂ до 14, 8 мл/100 г при 0Д% 0₂. Следует добавить, что титан, крем­ний, марганец и алюминий, раскисляя сталь, могут оказывать ко­свенное влияние на растворимость в ней водорода.

Специфика дуговой сварки, связанная с нагревом металла головной части ванны и капель электродного металла до чрезвы­чайно высоких температур, а также с большой степенью диссоци­ации водорода в зоне дуг^, приводит к тому, что при определен­ном, имеющем место на практике, содержании водорода в газо­вой фазе расплавленный металл насыщается водородом до весь­ма больших концентраций. При охлаждении такого расплава в результате снижения растворимости наступает значительное перенасыщение металла водородом, приводящее к бурному выде­лению последнего в виде пузырьков, что способствует появлению пористости в шве (см. гл. 11).

Часть водорода, не успевшая выделиться из расплава, после кристаллизации остается в металле. При этом водород в твердой стали может присутствовать в таких состояниях:

■ диффузионно-подвижный водород — водород, находящийся в твердом растворе внедрения до и сверх пределов растворимости. Он способен к диффузионному перемещению в кристаллической решетке при появлении градиентов кон­центрации, температур, напряжений, растворимости. В не­которых случаях диффузионно-подвижным становится атомарный водород, скопившийся в дефектах решетки (субмикроскопических «ловушках»);

■ остаточный водород — водород, не способный к диффузии в металле. К нему относится молекулярный водород, ско­пившийся в микро- и макронесплошностях.

При определенных условиях, например при сварке высоко­прочных сталей без подогрева, повышенная концентрация диф­фузионного водорода в металле шва может привести к образова­нию холодных трещин в ЗТВ (см. главу И).

Следовательно, при ручной дуговой сварке в обязательном по­рядке необходимо принимать меры, предупреждающие чрезмерное насыщение расплавленного металла водородом, главным образом за счет исключения возможности попадания в зону сварки влаги в недопустимом количестве. Особенно это относится к сварке ответ­ственных конструкции. Такими мерами являются: прокалка элект­родов перед сваркой, грамотное хранение электродов, очистка сва­риваемых кромок от ржавчины, влаги и других загрязнении.

Снижение концентрации водорода в расплаве также возмож­но путем его связывания непосредственно в газовой фазе. Это осуществляют, например, введением в состав электродного по­крытия плавикового шпата CaF₂, который при образовании шла­ковой фазы активизирует прохождение реакции с обычно содер­жащимся в покрытии кремнеземом Si0₂. Связывание и удаление водорода протекает по схеме

2CaF₂+3Si0₂=2CaSi0₃+SiF₄; SiF₄+3H=SiF+3HF.

Фтористый водород HF — химически прочное при высоких температурах и нерастворимое в металле газообразное соедине­ние. Он покидает зону сварки и удаляется в атмосферу.

В сварных швах, полученных при ручной дуговой сварке эле­ктродами с основным покрытием, содержащими плавиковый шпат, концентрация диффузионного водорода не превышает 15 мл/100 г, в особо ответственных сварных соединениях — 5 мл/100 г.