К металлургическим процессам при сварке относятся процессы взаимодействия жидкого металла с газами и сварочными шлаками, а также взаимодействия затвердевающего металла с жидким шлаком.
При сварке открытой дугой непокрытыми или тонкопокрытыми (с меловым покрытием) электродами расплавленный металл не защищен от воздействия воздуха и поэтому интенсивно насыщается азотом и кислородом. Эти газы, растворенные в металле в большом количестве, сильно ухудшают механические свойства шва.
Для защиты металла электродных капель и сварочной ванны от воздействия воздуха при ручной сварке применяют шлако- и газообразующие покрытия, а при автоматической и полуавтоматической дуговой сварке — сварочные флюсы или защитные газы. Чистые металлы сваривают в вакууме.
Сварочные флюсы и защитные газы могут быть нейтральными, т. е. не вступающими в химическое взаимодействие с жидким металлом, или активными, т. е. химически взаимодействующими с жидким металлом.
К числу нейтральных флюсов относятся флюсы, состоящие в основном из плавикового шпата (АНФ-5, АНФ-6, АНФ-14 и др.). Эти флюсы содержат незначительное количество кремнезема и закиси марганца, слабо окисляют жидкий металл и поэтому называются бескислородными.
Их также называют фторидными. Они предназначены для сварки аустенитных сталей. К их недостаткам следует отнести худшее формирование шва по сравнению со швами, выполняемыми под флюсами АН-26 и АН-18.
К нейтральным защитным газам относятся аргон и гелий.
Наиболее распространенными активными сварочными флюсами являются кислые или марганцевые высококремнистые флюсы марок АН-348А и ОСЦ-45.
Кроме них, при сварке применяют несколько марок флюсов средней активности или так называемые основные флюсы. К последним относятся, например, АН-14, АН-26 и др., предназначенные для сварки нержавеющих сталей.
Благодаря меньшему содержанию кремнезема в последних сварочная ванна в меньшей степени насыщается кремнием.
Однако в отдельных случаях (например, при сварке некоторых чистоаустенитных, а также мартенситных сталей) необходимо исключить насыщение металла шва кремнием и одновременно ввести в него некоторое количество кислорода.
Для этой цели в Институте электросварки разработаны и находят все возрастающее применение окислительные низкокремнистые флюсы марок АН-17 и АН-18.
Первый из них предназначен для сварки низколегированных термоупрочненных и высокохромистых мартенситных и мартенситноферритных сталей, а второй — для сварки некоторых марок однофазных аустенитных коррозионностойких сталей при необходимости получить шов, стойкий против образования горячих трещин при сохранении чистоаустенитной его структуры.
Самостоятельную группу составляют флюсы, применяемые для сварки алюминия и его сплавов.
Деление флюсов (шлаков) на кислые и основные обусловлено тем, что в их составе могут преобладать кислые окислы (Si02, ТiО2) или основные (FeO, МпО, CaO, Na20, К2О). В состав флюсов иногда входят амфотерные окислы (Fe203, А1203, Сr203), которые в зависимости от условий могут быть или основными, или кислыми.
Весовое соотношение между кислыми и основными окислами в составе данного флюса (шлака) определяет его кислотность. При величине отношения суммы кислых окислов к сумме основных окислов большей единицы флюс (шлак) называется кислым, а при отношении меньше единицы флюс (шлак) называется основным.
Степень кислотности является важной характеристикой флюса, так как она в значительной мере определяет поведение шлака при сварке.
Свойства шлака также определяются температурным интервалом плавления и его вязкостью. Температурный интервал плавления сварочных флюсов (шлаков) должен быть небольшим (1100— 1200°С). Такие шлаки называют короткими.
Под вязкостью шлака понимают его подвижность, зависящую от силы внутреннего трения. Чем подвижнее шлак (меньше его вязкость), тем выше его химическая и физическая активность, тем быстрее протекают химические реакции взаимодействия шлака с жидким металлом. Необходимо также, чтобы шлак после затвердевания минимально сцеплялся с металлом и легко бы отделялся от шва.
К числу активных (окислительных) газов относятся углекислый газ и смеси аргона с кислородом или углекислым газом.
В нейтральных защитных средах (аргоне, гелии, бескислородном флюсе) металлургические реакции в зоне сварки протекают весьма слабо.
При использовании активных флюсов и газов (содержащих повышенное количество активного кислорода) в зоне сварки протекают сложные металлургические процессы взаимодействия расплавленного металла с газами и шлаками.
В отличие от металлургических процессов в обычных сталеплавильных печах взаимодействие жидкого металла со шлаком и газами при дуговой сварке происходит весьма энергично, несмотря на кратковременность пребывания металла в жидком состоянии.
Это обусловлено исключительно высокими температурами в зоне сварки и большими поверхностями контактирования взаимодействующих веществ, особенно при переносе электродного металла через дугу.
Металлургические реакции между жидким металлом, газами и шлаком при сварке протекают в период плавления электрода и накопления капли на его конце, переноса капли через дуговой промежуток и непосредственно в сварочной ванне.
При этом температура и поверхность контактирования металла, газа и шлака изменяются, вследствие чего изменяется скорость, а иногда и направление протекания реакций. Поэтому рассматриваются особенности протекания реакций в периоды накопления и переноса капли через дугу и пребывания жидкого металла в сварочной ванне на различных расстояниях от дуги.
В результате металлургических реакций при сварке конечный химический состав металла шва почти всегда отличается от состава присадочного и основного (свариваемого) металла. Причем, как показывает опыт, химический состав металла шва может изменяться в зависимости от режима сварки (особенно сварочного тока и напряжения дуги).
Наиболее важными при сварке являются реакции взаимодействия металла с кислородом, а также диссоциация, растворение и выделение в металле таких газов, как азот и водород. Большое значение имеют реакции связывания и нейтрализации водорода, а также подавления окисления углерода при затвердевании металла.
Ход окислительных реакций, определяющих в значительной степени конечный состав шва, зависит от концентрации взаимодействующих элементов в зоне сварки и их химического сродства к кислороду.
Степень сродства металла к кислороду можно оценить по прочности его окисла, которая в свою очередь зависит от вида окисла, температуры и давления кислорода, контактирующего и взаимодействующего с этим окислом.
В системе «металл — кислород — окисел» при данной температуре и давлении кислорода может происходить либо окисление металла с увеличением количества окисла, либо диссоциация окисла с выделением свободного кислорода, либо система может находиться в состоянии равновесия, т. е. никаких реакций в системе протекать не будет.