W czasie procesu wytwarzania metale i stopy mogą zawierać szkodliwe substancje, które obniżają ich właściwości lub powodują niezgodności, takie jak pęknięcia. Gazy, takie jak wodór, azot i tlen, należą do tych składników.
Gazy znajdują się w metalach i stopach zarówno w postaci roztworów, jak i związków chemicznych, głównie tlenków, wodorków lub azotków. Chociaż gazy mają dwa atomy, wchodzą one w roztwory w postaci atomowej.
Wodór w procesie spawania
Głównym źródłem wodoru w spoinach jest wilgoć i para wodna, które, reagując z ciekłymi metalami, utleniają je i jednocześnie nasycają wodorem.
Roztwory międzywęzłowe zawierają wodór atomowy, ale ze względu na dużą ruchliwość może dostać się do nieciągłości materiałowej spowodowanej pęcherzami, mikropęknięciami lub zażużleniami. Tam rekombinuje i tworzy wodór drobinowy. Procesowi temu towarzyszy znaczny wzrost ciśnienia i duża prawdopodobieństwo powstania pęknięć.
Rozpuszczalność wodoru stali zarówno w stanie stałym, jak i ciekłym wzrasta wraz z temperaturą. Wzrost ten następuje szybko, gdy temperatura topnienia osiąga się i odwrotnie. Podczas krzepnięcia wydziela się dużo wodoru, zwłaszcza gdy wcześniej ciekła stal jest bardzo nasycona wodorem. Niektóre pierwiastki, takie jak mangan, chrom, tytan i niob, zwiększają rozpuszczalność wodoru w stali, podczas gdy inne, takie jak węgiel, krzem i aluminium, zmniejszają.
Zawartość wodoru w stalach jest na ogół mała i np. w stalach niskowęglowych mieści się w granicach od 3 do 8 cm3 na 100 g stali. W spoinach natomiast zawartość wodoru może się znacznie zmieniać, zależnie od metody i materiałów, jakich użyto do spawania. Na przykład spoiny wykonane elektrodami o otulinie kwaśnej lub rutylowej mogą zawierać do 30 cm3 wodoru na 100 g metalu, a wykonane elektrodami niskowodorowymi o otulinie zasadowej nawet poniżej 5 cm3 na 100 g metalu.
Azot w procesie spawania
Azot atomowy tworzy roztwory międzywęzłowe. Jednak jego ruchliwość w stosunku do wodoru jest znacznie mniejsza, co wynika z większej średnicy atomu azotu (powyżej 0,7 A). Azot rozpuszcza się w niektórych metalach w bardzo ograniczonym stopniu, w innych nie rozpuszcza się wcale.
Krzywa rozpuszczalności azotu i krzywa rozpuszczalności wodoru są podobne, ale rozpuszczalność azotu w żelazie zmniejsza się ze wzrostem temperatury, podczas gdy w przypadku wodoru skok zmiany rozpuszczalności w temperaturze topnienia jest znacznie większy niż w przypadku wodoru.
Obecność azotu w spoinach jest wynikiem procesu spawania. Przede wszystkim azot może występować w materiale spawanym i w drucie elek#trodowym. Jednak w przypadkach, gdy przestrzeń łuku nie jest dobrze zabezpieczona przed dostępem azotu, najwięcej azotu dostaje się do spoiny z powietrza. Są to następujące przypadki: zbyt małe wydzielanie CO2 ze stapiającej się otuliny; zbyt duże podmuchy wiatru podczas spawania w osłonach gazów na wolnym powietrzu; lub łuk spawany pod zbyt cienką warstwą topnika nie ma wystarczającej osłony. Spoin może również wypełniać wolne przestrzenie między ziarnami topnika stosowanego do spawania łukiem krytym. Wymienione źródła azotu są łatwo usuwane, a wtedy powstrzymuje się przed szkodliwym wpływem tego pierwiastka podczas procesu spawania.
W zależności od metody spawania oraz rodzaju użytych materiałów dodatkowych zawartość azotu w spoinach może się zmieniać w dość dużych granicach. Przy spawaniu gołym drutem bez osłony zawartość azotu może osiągnąć nawet 0,12%, przy spawaniu elektrodami otulonymi – 0,045%, a przy spawaniu łukiem krytym – 0,013%.
Tlen w procesie spawania
Większość metali tworzy tlenki, ale tlen nie rozpuszcza się w nich wcale lub tylko w bardzo małym stopniu. Tlenki nie rozpuszczają się również w metalach.
Tlen nie jest celowo wprowadzanym pierwiastkiem stopowym do stali i dlatego podczas jej produkcji oraz wykonywania spoin dąży się do maksymalnego ograniczenia zawartości tlenu. Całkowite usunięcie tlenu ze stali nie jest jednak możliwe i dlatego zarówno stale, jak i spoiny zawsze zawierają pewne ilości tego pierwiastka.
Obecność tlenu w stali zarówno w postaci rozpuszczonej, jak i w postaci tlenków zmniejsza głównie jej właściwości plastyczne, w szczególności udarność. Ponadto zmniejsza odporność na korozję i podwyższa temperaturę przejścia w stan kruchy (stal staje się mniej odporna na kruche pękanie, bardziej wrażliwa na przegrzanie, skłonna do rozrostu ziaren). W rezultacie dąży się do maksymalnego usunięcia tlenu ze stali, chociaż całkowite usunięcie nie jest możliwe. Zawartość tlenu w granicach 0,012 0,020% jest uważana za dopuszczalną.
Zawartość tlenu w spoinach mieści się w szerokich granicach w zależności od metody spawania i rodzaju oraz składu chemicznego materiałów dodatkowych. Na przykład, jeśli do spawania będzie użyty goły drut bez żadnej osłony, to zawartość tlenu w spoinie wyniesie 0,20%, jeśli elektrody otulone – 0,030%, a jeśli będzie to spawanie lukiem krytym, to 0,012%.