Чем вреден водород в металле шва
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-®% [73]. В то же время в стали и сварных швах всегда содержатся значительно большие количества водорода.
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 рн2, равном 1 атм, в интервале температур 1800—2270° К описывается уравнением [56]
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 [1641:
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].
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-
вития. В металле шва фиксируется количество водорода, близкое к его среднему содержанию в сварочной ванне [91].
Получение высокой скорости охлаждения и кристаллизации металла является основным принципом современных методик определения общего содержания водорода в металле сварочной ванны и капель. Общее содержание водорода в металле [Н]сум получают, суммируя содержание диффузионно-подвижного водорода [Н]ДИф и остаточного [Н]ост.
Наиболее точные, хорошо воспроизводимые результаты определения содержания диффузионного водорода [Н]диф в сварочной ванне получаются при использовании метода наплавки валика на составной охлаждаемый образец [100]. Наплавленный на специальном приспособлении образец непосредственно после сварки помещают в эвдиометры под слой глицерина. Выделившийся водород [Н]ДИф относят к единице массы металла сварочной ванны. Содержание остаточного водорода [Н]^ определяют методом вакуум — плавки.
С использованием такой методики были проведены исследования влияния различных факторов на содержание водорода в металле шва при сварке порошковой проволокой различных типов. Результаты этих исследований изложены ниже.
Сварка проволокой рутил-органического типа. Шлаковую основу проволоки этого типа составляют рутил и алюмосиликаты, часто содержащие кристаллизационную влагу; газовая защита зоны плавления обеспечивается преимущественно продуктами разложения органических материалов. Легко разлагающиеся в дуге материалы органического происхождения (крахмал, целлюлоза) позволяют значительно снизить долю воздуха в атмосфере дуги. С увеличением
количества, например, крахмала в сердечнике проволоки снижается содержание азота и кислорода в наплавленном металле. Однако крахмал является источником водорода. Поэтому атмосфера дуги, с которой контактирует расплавленный металл, содержит большие количества водорода и паров воды.
Исследование газонасыщенности металла, наплавленного проволокой с различным содержанием крахмала, показывает (рис. 72), что содержание водорода в металле наплавки изменяется незначительно, причем тенденция к росту содержания водорода заметна лишь при переходе от проволоки без крахмала к проволоке с содержанием его 0,5%.
Особенности Металлургических Процессов При Сварке, Влияние Кислорода, Азота И Водорода, Содержащихся В Воздухе, На Металл Шва
Процесс электрической сварки плавлением характеризуется химическими реакциями, которые возникают между расплавленным металлом и окружающей средой. При переносе металла с электрода в сварочную ванну капли и пары электродного металла и сварочной ванны, нагретые до высоких температур, взаимодействуют с атмосферными и другими газами и жидким шлаком.
Поэтому химический состав наплавленного металла может существенно отличаться от химического состава электродов и основного металла. Это, как правило, усугубляется высокой температурой сварочной ванны и малым временем пребывания металла в жидком состоянии.
Таким образом, в процессе сварки в течение короткого промежутка времени происходят сложнейшие процессы взаимодействия различных химических элементов. Основное влияние на качество сварного шва оказывают кислород, азот и водород. При неправильном ведении процесса сварки водород образует поры в шве, а кислород и азот существенно ухудшают механические свойства наплавленного металла.
Кислород попадает в зону сварки из окружающего воздуха, из влаги кромок свариваемого металла, из влаги флюсов, обмазки электродов и защитных газов, а также из материалов обмазки и флюсов. В материалах обмазки и флюсах кислород находится в виде оксидов марганца, кремния и др. В процессе сварки кислород соединяется с железом и остается в металле шва в виде оксида FeO.
С повышением содержания кислорода в металле шва снижается предел прочности, предел текучести, ударная вязкость; ухудшается коррозионная стойкость, жаропрочность сталей. Удаление кислорода из расплавленного металла достигается за счет введения в сварочную ванну таких элементов, как марганец и кремний. Эти элементы взаимодействуют с оксидом железа FeO, кислород в связанном состоянии переходит в шлак или на поверхность сварочной ванны. Такой процесс называется раскислением.
Азот попадает в зону сварки из окружающего воздуха. Азот растворяется в железе, марганце, титане, молибдене и вступает с ними в химическое взаимодействие с образованием нитридов. Нитриды резко увеличивают прочность и снижают пластичность сварного шва. Для уменьшения содержания азота в металле шва необходимо исключить азот из зоны сварки. Этого достигают при сварке в защитных газах.
Водород, подобно кислороду и азоту, поглощается в процессе сварки металлом шва. Источником водорода в зоне сварки может служить атмосферная влага, влага покрытия или флюса, влага ржавчины на поверхности сварочной проволоки и на свариваемых кромках. В отличие от кислорода и азота водород не образует в процессе сварки химических соединений с железом, а лишь растворяется в расплавленном металле. Повышенная растворимость водорода в жидком металле приводит к пористости.
Уменьшения содержания водорода в металле шва можно добиться путем предварительного прокаливания толстопокрытых электродов и флюсов, тщательной зачисткой свариваемых кромок от ржавчины, окалины и других загрязнений, предварительным нагревом деталей.
Одновременно с удалением из металла шва кислорода, азота водорода необходимо также очищать (рафинировать) металл шва от серы и фосфора, являющихся вредными примесями в сталях. Сера попадает в сварочную ванну из основного металла, сваркой проволоки, покрытий и флюсов. Наиболее неблагоприятной формой сернистых соединений в металле шва является сульфид железа FeS. В процессе кристаллизации он образует с железом эвтектику с температурой плавления ниже, чем у основного металла. Эвтектика располагается между зернами кристаллизующегося металла и является причиной возникновения горячих трещин сноломкость. Избавиться от появления такого дефекта позволяют марганец и кальций, содержащиеся в сварочной проволоке и обмазке электрода.
Фосфор в металле шва находится в виде фосфидов железа Fe3P и Fe2P. Увеличение фосфора в металле шва снижает ударную вязкость, особенно при низких температурах, поэтому фосфор необходимо удалять. Это достигается за счет его окисления и удаления в шлак.
Для снижения вредного влияния серы и фосфора их содержащееся в основном и электродном металле, в покрытии электродов и флюсах строго ограничивается соответствующими стандартами.
Контрольные вопросы:
1. Расскажите о влиянии атмосферных газов на качество сварных швов.
2. Расскажите об особенности влияния водорода на качество сварного. Каково влияние вредных примесей (серы и фосфора) на качество сварных швов?
3. В чем заключается рафинирование?
Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).
Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого.
Влияние водорода на качество сварного шва
Процесс электрической сварки плавлением характеризуется химическими реакциями, которые возникают между расплавленным металлом и окружающей средой.
Особенности процессов с водородом при сварке
При переносе металла с электрода в сварочную ванну капли и пары электродного металла и сварочной ванны, нагретые до высоких температур, взаимодействуют с атмосферными и другими газами и жидким шлаком. Поэтому химический состав наплавленного металла может существенно отличаться от химического состава электродов и основного металла. Это, как правило, усугубляется высокой температурой сварочной ванны и малым временем пребывания металла в жидком состоянии.
Таким образом, в процессе сварки в течение короткого промежутка времени происходят сложнейшие процессы взаимодействия различных химических элементов.
Основное влияние на качество сварного шва оказывают кислород, азот и водород. При неправильном ведении процесса сварки водород образует поры в шве, а кислород и азот существенно ухудшают механические свойства наплавленного металла.
Водород поглощается в процессе сварки металлом шва. В отличие от кислорода и азота водород не образует в процессе сварки химических соединений с железом, а лишь растворяется в расплавленном металле. Повышенная растворимость водорода в жидком металле приводит к пористости. Уменьшения содержания водорода в металле шва можно добиться путем предварительного прокаливания толстопокрытых электродов и флюсов, тщательной зачисткой свариваемых кромок от ржавчины, окалины и других загрязнений, предварительным нагревом деталей.
Влияние водорода при сварке
Водород, так же как кислород и азот, растворяется в расплавляемом при сварке металле. Он попадает в металл из воздуха, содержащего пары воды, из влаги покрытия электродов; из ржавчины, находящейся на поверхности металла изделия и электродов.
При высокой температуре влага превращается в пар и диссоциируется с поглощением тепла Q:
Водород содержится также в электродных покрытиях, в таких, как крахмал, целлюлоза и др., а также в самом металле. В небольших количествах он растворим в металле даже при комнатной температуре, однако с повышением температуры его растворимость растет и при переходе металла из твердого состояния в жидкое увеличивается с 0,0007 (8 см 3 на 100 г металла) до 0,0025 % (28 см 3 на 100 г).
Во время сварки при наличии значительного количества водорода во влаге или в покрытии электродов увеличивается разбрызгивание, так как с понижением температуры растворенный в ванне водород бурно выделяется из металла, вызывая его кипение и разбрызгивание. С началом кристаллизации ванны растворимость водорода резко падает, атомарный водород выделяется по реакции
образуя молекулярный водород, который нерастворим в стали и уходит в шлак или атмосферу. Однако скорость кристаллизации может препятствовать удалению всего водорода, и часть его остается в шве в виде наружных и внутренних пор. Процесс выделения водорода из металла происходит и при комнатной температуре в атмосферу и в микроскопические полости, имеющиеся внутри металла.
В результате образуются внутренние поры, в которых накапливается водород, создавая большое давление, что часто приводит к образованию микротрещин и, следовательно, к ухудшению прочностных характеристик наплавленного металла, особенно пластичности и ударной вязкости. При изломе такого металла в нем обнаруживаются так называемые «рыбьи глаза» в виде светлых пятен небольшого диаметра с маленькой полостью (порой) в середине.
Наличие «рыбьих глаз» в изломе металла всегда свидетельствует о насыщении его водородом. Для удаления водорода иногда прибегают к выдерживанию сварных конструкций при комнатной температуре. Выдержка при температуре 250-300 °С ускоряет процесс выделения водорода. Водород является вредной примесью в стали, и при сварке следует избегать попадания влаги в шов, тщательно очищать поверхность металла от ржавчины и влаги и применять электроды с хорошо прокаленным покрытием.
Некоторую отрицательную роль при сварке играет окись углерода СО. Она нерастворима в стали и, находясь в газовой среде, окружающей дугу, защищает расплавленный металл от воздуха. При образовании СО в самом металле по реакции
она действует как раскислитель металла, удаляющий кислород и восстанавливающий Fe из FeO, что сопровождается кипением ванны при сварке. Если не хватает других раскислителей, то СО может оказаться причиной пористости шва и ухудшения качества стали.
Читайте также:
Влияние кофе на печень
Влияние пчелиного подмора на поджелудочную железу
Влияние пива на поджелудочную железу
Влияние алкоголя на печень и поджелудочную железу
Влияние антибиотиков на поджелудочную железу
Влияние водорода при сварке
Водород, так же как кислород и азот, растворяется в расплавляемом при сварке металле. Ой попадает в металл из воздуха, содержащего пары воды, из влаги покрытия электродов; из ржавчины, находящейся на поверхности металла изделия и электродов. При высокой температуре влага превращается в пар и диссоциируется с поглощением тепла Q:
Водород содержится также в электродных покрытиях, в таких, как крахмал, целлюлоза и др., а также в самом металле. В небольших количествах он растворим в металле даже при комнатной температуре, однако с повышением температуры его растворимость растет и при переходе металла из твердого состояния в жидкое увличивается с 0,0007 (8 см 3 на 100 г металла) до 0,0025 % (28 см 3 на 100 г).
Во время сварки при наличии значительного количества водорода во влаге или в покрытии электродов увеличивается разбрызгивание, так как с понижением температуры растворенный в ванне водород бурно выделяется из металла, вызывая его кипение и разбрызгивание. С началом кристаллизации ванны растворимость водорода резко падает, атомарный водород выделяется по реакции
образуя молекулярный водород, который нерастворим в стали и уходит в шлак или атмосферу. Однако скорость кристаллизации может препятствовать удалению всего водорода, и часть его остается в шве в виде наружных и внутренних пор. Процесс выделения водорода из металла происходит и при комнатной температуре в атмосферу и в микроскопические полости, имеющиеся внутри металла. В результате образуются внутренние поры, в которых накапливается водород, создавая большое давление, что часто приводит к образованию микротрещин и, следовательно, к ухудшению прочностных характеристик наплавленного металла, особенно пластичности и ударной вязкости. При изломе такого металла в нем обнаруживаются так называемые «рыбьи глаза» в виде светлых пятен небольшого диаметра с маленькой полостью (порой) в середине. Наличие «рыбьих глаз» в изломе металла всегда свидетельствует о насыщении его водородом. Для удаления водорода иногда прибегают к выдерживанию сварных конструкций при комнатной температуре. Выдержка при температуре 250-300 °С ускоряет процесс выделения водорода. Водород является вредной примесью в стали, и при сварке следует избегать попадания влаги в шов, тщательно очищать поверхность металла от ржавчины и влаги и применять электроды с хорошо прокаленным покрытием.
Некоторую отрицательную роль при сварке играет окись углерода СО. Она нерастворима в стали и, находясь в газовой среде, окружающей дугу, защищает расплавленный металл от воздуха. При образовании СО в самом металле по реакции
она действует как раскислитель металла, удаляющий кислород и восстанавливающий Fe из FeO, что сопровождается кипением ванны при сварке. Если не хватает других раскислителей, то СО может оказаться причиной пористости шва и ухудшения качества стали.
Влияние кислорода, водорода и азота на качество сварного шва. Пути проникновения их в сварочный шов
В расплавленном состоянии металл шва активно взаимодействует с газами кислородом, азотом и водородом. В жидком металле водород растворяется, тогда как азот и кислород вступают с ним в химическое взаимодействие.
Кислород (О2) в металле шва проникает из окружающего воздуха и образует в металлах окислы (FeO, Fe2O3, Fe3O4), что приводит к понижению механических свойств металла. При охлаждении металла окислы железа образуют шлаковые прослойки между зернами металла, неметаллические включения. Окислы железа приводят к коррозии металла.
Азот (N2) в металле шва проникает из окружающего воздуха и образует в металле нитриты марганца MnN и кремния SiN. При больших скоростях охлаждения азот не успевает полностью выделится, и составляет с металлом пересыщенный твердый раствор, что со временем является причиной процесса старения металла, при котором значительно снижаются механические свойства стали. Азот является вредной примесью стали, так как, повышает прочность и твердость, значительно снижая пластичность и вязкость металла.
Азот, кислород и водород являются вредными примесями для металла. Для того чтобы предотвратить, защитить сварочную ванну от их влияния необходимо производить раскисления металла при помощи элементов содержащихся электродном покрытии, таких как алюминий, марганец, кремний.