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.

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, т. е. коэффициент р.

Так, легирование металла шва в результате марганцевосстано-вительного процесса при электродуговой сварке под флюсом можно рассчитать из следующих соображений:

(МпО) + [Ре] = (РеО) + [Мп];(VI .39)

[Мп] - (РеО) |МпО) • [Ре|"

Так как в стали [Ре] ^ 1, то

к. _ [Мп].(РеО),.

Дс Мп - (МпО) 1(У1-4°)

I _ (%Мп) _ 0,775 (%МпО)м .

ш" ~ 1%Щ--*

где (%Мп), [%Мп] — весовые проценты концентраций марганца в шлаке и металле шва соответственно. С учетом выражения (VIАО)

1ш и ота^о,.(у1Л2)

Подставляя выражение (У1.42) в формулу (VI.25), получим расчетную формулу для определения концентрации Мп в металле шва:

1Мп1 ^Мт + [ДЬЧдИ(»-т) + Р(Д1л)ф

1МП]ШВ--„ 0,775 (% РеО)'\У^)

' Т Р--Т7~'-

Константу равновесия Кс мп Для кислых марганцовистых флюсов можно вычислить по выражению

№мп=-^+-1,86.(У1.44)

1 ( %РеО) представляет собой равновесную концентрацию РеО в шлаке, которая может наблюдаться только в слое, примыкающем к поверхности раздела «металл — шлак». От осредненной концентрации (РеО)ср, находимой химическим анализом шлаковой корки, она отличается.

Расчеты марганцевосстановительного процесса по формулам •(У1.39) — (У1.44) дают хорошее совпадение с данными химического анализа.

Для оценки степени перехода того или иного элемента в металл шва служит коэффициент -ц 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 показателя т] 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 каплеобразования.

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 десульфура-ции в процессе сварки:

1)более высокая температура металла и шлака, особенно на стадии образования капель, способствует диссоциации сульфидов, ослабляет химические связи серы и облегчает удаление ее из металла в шлак;

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 позволяет активизировать удаление серы.

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 металл. Следует при этом иметь в виду, что распределение серы по сечению основного металла может быть крайне неравномерным (рис. 129). В результате на некоторых участках швов концентрация серы может оказаться весьма высокой