Физико-химические процессы при ЭШС.

В шлаковой ванне протекает большая часть физико-химических процессов, ответственных за состав и свойства металла шва. Эти процессы неразрывно связаны с взаимодействиями:

1. между шлаковой ванной и атмосферой,

2. между шлаковой ванной и металлической ванной,

3. между шлаковой ванной и электродным металлом,

4. между металлической ванной и электродным металлом,

5. между металлической ванной и основным металлом;

6. между шлаковой ванной и основным металлом,

7. между электродным металлом и атмосферой,

8. между основным металлом и атмосферой.

К процессам 1 следует отнести поглощение шлаком газов и паров, содержащихся в атмосфере. Это, прежде всего, окисление шлака, растворение в нем водорода и азота.

Шлаковая ванна, в свою очередь, выделяет в атмосферу пары, большей частью летучие компоненты шлаковой композиции, а также газообразные продукты взаимодействия шлака с металлом: фториды, бориды, сернистые соединения и др..Эти пары оказывают защитное воздействие, предохраняя электродный металл, нагреваемый вблизи шлаковой ванны до высоких температур, от прямого контакта с воздухом. Особенно большое значение указанный факт имеет в случае ЭШС плавящимся мундштуком, поскольку последний периодически оплавляется над шлаковой ванной.

К процессам 1 можно также отнести насыщение атмосферы над шлаком ионами, в результате чего повышается её электропроводимость и может быть спровоцировано возбуждение дуги между электродной проволокой и шлаковой ванной и между плавящимся мундштуком и свариваемой кромкой.

К процессу 2 относится, прежде всего, раскисление металла ванны, если флюс является раскислителем по отношению к нему, или, наоборот, окисления, если флюс кислый. Раскисление происходит по реакциям

[MO] + (R) «[M] + (RO)

или

[MO] + (RO) «[M] + (RO₂),

где под R понимается элемент-раскислитель.

В качестве раскислителей можно применять сплавы типа силикокальция, силикомарганца или ферросплавов, вводимых во флюс.

Удаление окислов из металлической ванны может происходить также по реакциям других типов:

· образования комплексных окислов

[M₁O] + [M₂O] + n B₂O₃ «(M₁O ´ M₂O ´ n B₂O₃),

где [M₁O] – окисел металла в металлической ванне,

(M₂O) – окисел в шлаковой ванне.

· Образование фторида металла при взаимодействии окисла металлической ванны с фтористым кальцием и кремнеземом шлака

[MO] + (CaF₂) + (SiO₂) ® MF₂ + CaSiO₃.

На границе между шлаковой и металлической ваннами (процесс 2) происходит также обмен водородом, серой, азотом и другими элементами. Установлено, что шлаковая ванна может передавать металлической ванне водород, усвоенный ею из воздуха, особенно при повышенной влажности или в случае течи формирующих устройств (ползунов). Таким же путем может поступать в металл шва азот воздуха, но для этого необходимо предварительное образование нитридов на границе между металлом и атмосферой, например, при помощи дуги, возникающей между электродом и шлаком. Однако такое явление имеет место при нарушении режима сварки, Поэтому в обычных условиях азот практически не переходит из атмосферы в металл шва.

Между шлаковой ванной и жидким металлом происходит обмен серой и фосфором. Род и полярность тока влияют на этот обмен: при сварке на постоянном токе происходит электролиз шлака, вызывающий выделение газов в приэлектродных областях и перераспределение анионов и катионов в промежутке между электродами.

Природа химического взаимодействия между шлаковой ванной и электродным металлом (процесс 3) такая же, как и между шлаковой ванной и металлической ванной (процесс 2), с тем, однако, отличием, что взаимодействие в первом случае энергичнее, чем во втором. Особенно энергично взаимодействия происходят на стадии капли при её образовании на конце плавящегося мундштука и переносе через шлаковую ванну. Это объясняется более высокой температурой капли по сравнению с металлической ванной и большей удельной поверхностью раздела со шлаком.

Взаимодействие электродного металла с металлической ванной (процесс 4), а также основного металла с металлической ванной (процесс 5) заключается в получении расплава, который после кристаллизации образует металл шва.

На границе между твердым основным металлом и металлической ванной, а после её кристаллизации – металлом шва, протекает диффузионный обмен водородом, углеродом и легирующими элементами. Диффузия оказывает большое влияние на состав, структуру и свойства переходной зоны между швом и основным металлом, особенно при сварке и наплавке разнородных металлов.

Взаимодействие шлаковой ванны с основным металлом (процесс 6) заключается в нагреве последнего теплотой, выделяемой в шлаковой ванне, и растворении газов, адсорбированных на поверхности свариваемых кромок. Одновременно происходит очистка поверхностей кромок от окислов.

Взаимодействие между электродным металлом и атмосферой (процесс 7), как и между основным металлом и атмосферой (процесс 8) сводится к окислению поверхности металла и адсорбции на нем газов. В результате реакции металла с влагой происходит усвоение водорода и образование на поверхности металла ржавчины.