Проведение раскислительных процессов хотя и снижает содержание кислорода в металле до минимума, но не восполняет целиком потерю полезных элементов вследствие их частичного выгорания и испарения. Вместе с тем, раскисление не дает возможности обогатить металл специальными легирующими элементами, чтобы придать ему особые свойства. Эти задачи выполняются второй металлургической операцией — легированием, осуществляемым одновременно с раскислением металла.
Осуществляется легирование с соблюдением двух важных требований:
1) в качестве раскислителей следует применить элементы, сродство которых к кислороду больше, чем сродство легирующего элемента; иначе вносимые легирующие элементы израсходуются на раскисление
2) наряду с легирующим элементом целесообразно вносить в зону сварки и его оксид, наличие которого сохраняет легирующий элемент от выгорания. позволяет сместить равновесие в пользу сохранения вносимого легирующего элемента
Принципиально возможно легирование металла как через металлическую, так и через шлаковую фазу. Легирование через газовую фазу также возможно, но этот процесс еще мало изучен.
Легирование через металлическую фазу осуществляется введением легирующего элемента в электродный стержень или присадочную проволоку, а также за счет проплавления легированного основного металла и перехода соответствующих элементов в сварочную ванну.
Легирование через шлаковую фазу предполагает введение легирующих элементов в электродное покрытие или флюсы.
Первый путь легирования (через металлическую фазу) — более действен, так как при этом потери легирующего элемента незначительны и коэффициент перехода в металл шва оказывается достаточно высоким. ГОСТ
Процесс легирования может происходить как в результате прямого растворения элемента в металле, так и на основе обменных реакций. При этом, естественно, большую роль играет отношение взаимодействующих между собой масс металла и шлака.
Для оценки степени перехода того или иного элемента в металл шва служит коэффициент перехода или усвоения элемента — отношение прироста данного легирующего элемента в составе металла шва к количеству этого элемента, введенного в зону сварки.
Пользуясь коэффициентами перехода, следует помнить, что их значения чрезвычайно зависят от условий, в которых они определены. Применять их можно только для грубых, ориентировочных подсчетов. Большим недостатком этого показателя является то, что он по существу — величина формальная, так как учитывает только начальное и конечное состояния системы и совершенно не отражает разнообразных, и часто весьма сложных, металлургических процессов, протекающих в реакционной сварочной зоне.
Легирование металла происходит во всех участках зоны сварки, однако энергичнее и полнее — в процессе капельного переноса.
Рафинирование металла.
Третья важная металлургическая операция, протекающая одновременно с раскислением и легированием металла,— рафинирование его, т. е. очищение от вредных примесей — серы и фосфора.
Условия взаимодействия металла и шлака для рафинирования металла шва по сере при электродуговой сварке, в общем, более благоприятны, чем в сталеплавильном производстве.
Можно отметить следующие особенности условий десульфурации в процессе сварки:
1) более высокая температура металла и шлака, особенно на стадии образования капель, способствует диссоциации сульфидов (FeS, СаS, Na2S и др.), ослабляет химические связи серы и облегчает удаление ее из металла в шлак; очистка на стадии каплепереноса
2) интенсивное перемешивание металла со шлаком в каплях и в сварочной ванне увеличивает относительную массу шлака в 100 —1000 раз по сравнению с аналогичным показателем в мартеновском производстве;
3) использование специальных рафинирующих электродных покрытий или сварочных флюсов ( относительно увеличенное содержание рафинирующих компонентов ) позволяет активизировать удаление серы. в сравнении с металлургией
Таким образом, несмотря на кратковременность взаимодействия металла со шлаком, при электродуговой сварке есть все возможности получать металл шва более чистым по содержанию серы, чем основной металл.
Источниками поступления серы и фосфора в зону сварки служат:
1) шлаки, в состав которых входят компоненты, содержащие серу и фосфор;
2) расплавленный основной металл.
Следует при этом иметь в виду, что распределение серы по сечению основного металла может быть крайне неравномерным (зона, приближенная к литнику) и на некоторых участках швов концентрация серы может оказаться весьма высокой даже при среднем содержании ее в металле, удовлетворяющем требованиям ГОСТа.