20. Взаимодействие расплавленного металла с содержащимся в газовой фазе водородом. Источники водорода в газовой фазе. Влияние водорода на качество сварного соединения.

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 (C₆H₁₀O₅)_n, карбоксилметилцеллю-лоза, древесная мука). При высоких температурах сварки превра­тившаяся в водяной пар влага диссоциирует: Н₂О=Н₂+1/2О₂ ; Fe+H₂O=FeO+H₂. В той или иной мерс водо­род присутствует в газовой фазе всегда, при этом он находится в молекулярном и, в большей степени чем азот, в атомарном состоя­ниях. При контакте с расплавленным металлом водо­род интенсивно растворяется в нем, подчиняясь зависимости

H — равновесное содержание водорода в металле;

P_H/H2 — общее парциальное давление соответственно атомарного и моле­кулярного водорода;

α — степень диссоциации водорода при дан­ной температуре;

К_H — 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.

Нагрев металла в головной части ванны и капель до очень высоких температур, а также высокая степень диссоциации Н в зоне дуги приводит к тому, что расплавленный Ме насыщается водородом до больших концентраций.

При охлаждении расплава в результате снижения растворимости наступает значительное пересыщение Ме водородом, что приводит к его выделению в виде пузырьков.

В несплошностях металла водорот находится в молекулярном виде, в растворе – в атомарном виде. Часть водорода, неуспевшая выделиться из расплава после кристаллизации остаётся в нём, при этом водород в твёрдой стали может присутствовать в нескольких состояниях: дифузионно-подвижное – атомарный водород находится в твёрдом растворе, он способен двигаться в кристаллической решётке; остаточный водород Н₂ молекулярный – неспособный к диффузии в металле.

Продолжая поступать атомарный водород к молекулярному образует дополнительные молекулы, при этом увеличивает его объём, вследствие чего внутри микропустот увеличивается давление инициируя образование трещин.

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.

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

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 Si< >. 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.