Взаимодействие с азотом и водородом при сварке плавлением

Основным источником азота при сварке является воздух. Молекулярный азот при высоких температурах диссоциирует на атомы

N₂ = 2N – 170200 кал/моль.

Частично в присутствии кислорода при высоких температурах образуются и окислы азота, в частности NO.

Азот в некоторых металлах (медь, серебро, золото) практически нерастворим и может применяться при сварке таких металлов как защитный нейтральный (инертный) газ.

В железе и железных сплавах азот растворяется и при температурах ниже 600°С образует химические соединения – нитриды Fe₂N, Fe₄N. Зависимость растворимости азота в твердом и жидком железе от температуры показана на рис. 1.

Рис. 1. Зависимость растворимости азота и водорода в железе от температуры.

При переходе железа из жидкого состояния в твердое растворимость азота скачкообразно уменьшается; газ стремится из раствора в виде газовой фазы (нитриды при этих температурах не образуются), что может привести к образованию пор.

Источником водорода при сварке являются продукты горючих углеводородов (при газовой сварке) и углеводов из покрытий, а также продукты диссоциации паров воды.

Водород в газовой фазе может присутствовать в виде молекулярного, атомарного и ионизированного. Ионизация водорода происходит по реакции

Н₂ = Н + Н⁺ + е^- - 417480 кал/моль.

Различные металлы по-разному взаимодействуют с водородом. Одни из них (титан, тантал, ниобий, ванадий и др.) образуют с водородом химические соединения – гидриды (как правило, ухудшающие свойства металла). Многие гидридобразующие металлы сильно поглощают водород и в твердом состоянии. При более высоких температурах гидриды распадаются, вследствие чего водород может выделяться из металла (у титана при температурах более 700°С).

Другая группа металлов (железо, никель, кобальт, медь) гидридов не образует. Водород адсорбируется этими металлами; при плавлении растворимость водорода резко повышается. Растворимость водорода при постоянной температуре подчиняется зависимостям:

[Н] = К_1рН; [Н] = К_2√(рН2),

где К1, К2 – коэффициенты, зависящие от температуры; р_Н и р_Н2 – парциальные давления водорода (атомарного и молекулярного) в газовой фазе.

Общий характер изменения растворимости водорода в железе при различных температурах и р_Н2 = 1 кгс/см² показан на рис. 1.

Для жидкого железа растворимость водорода [Н] (см³/100г) в зависимости от парциального давления рН2 (мм рт.ст.):

lg[H]_ж = 0,5lg p_H2 – 1745/Т + 0,888.

Часть водорода со временем удаляется из металла диффузией, а часть остается в металле в различных несплошностях. И диффузионно-подвижный остаточный водород в целом ухудшают свойства сварных соединений, в связи с чем его количество в металле следует ограничивать. Ограничение содержания водорода в металле в основном достигается уменьшением парциального давления свободного водорода в газовой фазе при сварке. Для этого:

1.Удаление и ограничение источников водорода при сварке;

2.Связывание газообразного водорода в стойкие при высоких температурах соединения;

3.Уменьшение растворимости водорода в жидком металле, в частности его окислением.

Методы удаления источников водорода сводятся к предварительной очистке кромок от водных окислов (например, ржавчины), их просушке от адсорбированной воды, очистке электродной проволоки от жиров, просушке и прокалке сварочных материалов (электродов, флюсов), предохранению флюсов от засорения ржавчиной и пр.

Связывание водорода в условиях сварки осуществляется либо во фтористый водород (HF), либо в гидроксил (ОН). Более распространенным является связывание во фтористый водород:

2CaF₂ + 3SiO₂ = 2CaSiO₃ + SiF₄

SiF₄ + 3H = SiF + 3HF

SiF₄ + 2H₂O = SiO₂ + 4HF.

Окисленность металла приводит к снижению содержания в нем водорода. Поэтому хорошо раскисленный металл является более чувствительным к водороду газовой фазы и требует применения более сильных мер защиты (введения фторидов, прокалки сварочных материалов и пр.).