Водород может оказывать на металл двоякое влияние:
- с одной стороны, он защищает его от насыщения кислородом и азотом, предупреждает окисление, связывая кислород, восстанавливает при известных условиях металл из оксидов;
- с другой - растворяется в металле и становится причиной появления существенных дефектов в шве — пористости и трещин.
Металлы по способности взаимодействовать с водородом делятся на две группы:
1) не образующие химических соединений с водородом: Fe, Ni, Al, Со, Си, Mo, Pt и др.;
2) образующие твердые растворы и химические соединения с водородом (гидриды) — Zr, Ti, V, Та, Th и др.
Водород хорошо растворяется в стали, но
- не образуют химических соединений с Fe,
- образует химические соединения с легирующими элементами стали.
Атомарный водород растворяется как в твердом, так и в жидком железе.
Для сварных соединений нежелательно резкое изменение растворимости газов.
Растворимость водорода в железе с повышением температуры растет и изменяется скачкообразно в моменты полиморфных превращений.
При переходе железа из твердого состояния в жидкое наблюдается резкое возрастание растворимости водорода, достигающее максимальной величины при температуре ~ 2400 °С. Таким образом, наиболее значительное насыщение металла водородом происходит в процессе переноса капель. На стадии охлаждения при резком снижении растворимости Н в Fe происходит выделение избыточного водорода в виде пузырьков газа.
Степень насыщения жидкого металла водородом зависит от наличия в газовой среде элементов, способных связывать водород в химические соединения, нерастворимые в жидком металле, и тем самым снижающие парциальное давление его в газовой среде. Так, образование в газовой среде соединений ОН и HF, нерастворимых в жидком металле, снижает насыщенность металла водородом. Количество водорода в газовой фазе дуги ограничено: атмосфере водорода мало, а основным источником водорода являются ржавчина, влага и химсоединения во флюсе. Соединений ОН и HF уходят в атмосферу или в шлак, и не снижают прочности сварного шва.
Находясь в жидком металле, водород взаимодействует с кислородом по уравнениям:
Поэтому наличие в металле кислорода ограничивает концентрацию в нем водорода. На рис. 116 приведены данные о совместном растворении водорода и кислорода в жидком железе. Как видим, даже незначительная окисленность жидкого металла резко снижает содержание в нем водорода.
Насыщение водородом жидкого металла отрицательно сказывается на его свойствах. При достаточно быстром охлаждении металла ванны часть растворенного в ней водорода не успевает выделиться, что ведет к образованию газовых пузырей.
Оставшийся в металле атомарный водород превращается в молекулярный, что ведет к формированию газовой фазы в микротрещинах металла. В следствие этого парциальное давление молекулярного водорода в зоне микротрещин возрастает, а в близь расположенных участках металла парциальное давление атомарного водорода снижается, что ведет к его притоку за счет диффузии. Таким образом, происходит накопление водорода в микротрещинах, что является причиной возникновения холодных трещин.
Непрерывно образующийся молекулярный водород создает значительные давления, так как сам он не в состоянии диффундировать через металл и практически нерастворим в нем.
В связи с тем, что давление направлено во все стороны, в металле возникает объемное напряженное состояние, приводящее к снижению пластических свойств его, а иногда — и к хрупкому разрушению.
Следовательно, хотя водород и не образует с металлом шва соединений, отрицательно влияющих на прочность этого металла, он усиливает вредное влияние макро- и микронесплошностей, способствует резкому снижению пластических свойств металла и его хрупкому разрушению.