Сварной шов образуется в результате сложного металлургического процесса, протекающего в следующих характерных условиях:

1) при высокой температуре;

2) в небольшом объеме расплавленного металла;

3) в течение короткого времени;

4) при быстром отводе тепла в прилегающий твердый металл;

5) при участии двух разных металлов;

6) при интенсивном воздействии окружающих газов и шлака.

Благодаря высокой температуре в дуге происходят химические реакции диссоциации некоторой части молекулярного кислорода и водорода на атомарный:

Q₂ 2O – Q₁

N₂ 2N – Q₂

H₂ 2H – Q₃

где Q₁,Q₂,Q₃ – количество теплоты, поглощаемой реакцией

Физико-химические процессы

Взаимодействие жидкого металла сварной ванны с кислородом, водородом и другими газами.

Кислород поступает в ванну из воздуха или из электродного покрытия и интенсивно окисляет расплавленный металл, соединяясь c железом и другими элементами:

Fe + O = FeO + Q₄

Кислород, находясь в стали в виде окиси железа FeO является вредной примесью, т.к. резко снижает механические свойства стали.

Водород попадает в сварочную ванну из влаги, находящейся в воздухе, электродном покрытии, ржавчины на кромках свариваемых деталей.

Часть молекулярного водорода остается в шве в виде газовых включений и является вредной примесью, т.к. приводит к образованию рядов дефектов сварки – пористости и трещин в шве и околошовной зоне.

Азот поступает в сварочную ванну из окружающего воздуха. Взаимодействуя с металлом он образует нитриды железа Fe₄N, Fe₂N. Металл шва насыщается нитридами, выделившимися из твердого раствора в α-железе в виде тонких включений (нитридных игл). Азот ухудшает механические свойства стали.

Окись углерода СО₂ образующаяся при сварке стали за счет окисления углерода, содержащегося в основном и электродном металлах, обычно успевает выделиться из жидкого металла до его застывания. Однако при повышенном содержании углерода в свариваемой стали, проволоке или в электродах окись углерода остается в шве в виде пор.

Металл шва, выполненный незащищенной дугой, обладает низкими механическими свойствами.

Поэтому для получения высококачественного металла шва и сварного соединения применяют защиту расплавляемого при сварке металла.

В качестве защитного газа используют углекислый газ, аргон, гелий и др. Защитный газ из баллонов подают по шлангам в зону дуги.

Наиболее распространенной является газошлаковая защита, которая образуется при расплавлении специального покрытия, нанесенного на электрод, специального порошка – флюса, насыпанного слоем определенной толщины на место сварки или запрессованного внутрь трубчатой порошковой проволоки. В процессе сварки покрытие или флюс плавятся, образуя газ, окружающий зону сварки и шлак, обволакивающий капли расплавленного металла и сварочную ванну, что преграждает доступ к ним кислорода и азота воздуха.

Взаимодействие металла сварочной ванны с электродными покрытиями, флюсом и газом.

Электродные покрытия или флюсы кроме защиты расплавляемого при сварке металла от окружающего воздуха должны обеспечивать раскисление, легирование и рафинирование металла шва.

Раскислением называют процесс освобождения стали от кислорода легирующими элементами. При сварке служат марганец, кремний, титан, алюминий, углерод, хром, никель, молибден и др.

Параллельно с раскислением и легированием при сварке происходит рафинирование металла шва. Этот процесс заключается в освобождении шва от шлаковых включений и вредных примесей от FeS, P₂O₅ и др. Сера и фосфор являются вредными примесями в стали. Сера способствует возникновению трещин, а фосфор снижает вязкость стали, поэтому важно их удалить из сварного шва.