WWW.UZIM.RU Справочный сайт о такелаже и сварке

При сварке происходит ряд достаточно сложных физико-химических процессов, определяющих качество сварного соединения. Источники сварочного нагрева оказывают тепловое и химическое воздействие на основной и присадочный металлы, от чего зависят состав и свойства металла шва и околошовной зоны. В процессе сварки металл плавится, образуя сварочную ванну, а затем затвердевает в виде сварного шва. В зоне сварки происходит взаимодействие жидкого металла с окружающей средой (шлаком и газом). Названные процессы являются общими для всех способов сварки плавлением.

Плавление и перенос электродного металла. От этого процесса зависят производительность сварки, потери металла, формирование шва, устойчивость горения дуги и другие факторы. Плавление электрода происходит главным образом за счет тепловой энергии дуги. Основной характеристикой плавления электрода являются линейная скорость его расплавления в единицу времени, которая зависит от состава электрода, покрытия, режима сварки, плотности и полярности тока.

В общем случае скорость плавления электрода возрастает с увеличением силы тока примерно по линейной зависимости и определяется условиями выделения и передачи теплоты в анодной и катодной областях и зависит от полярности тока. При плавлении на торце электрода образуется капля жидкого металла. Большая удельная поверхность и высокие температуры капель способствуют интенсивному взаимодействию металла с окружающей средой. Поэтому характер переноса электродного металла оказывает значительное влияние на кинетику физико-химических процессов.

Характер переноса электродного металла зависит от соотношения сил, действующих на каплю металла на торце электрода, основными из которых является сила тяжести, сила поверхностного натяжения, электромагнитная сила, сила реактивного давления, паров, аэродинамическая сила и др. Значения отдельных сил и направление их равнодействующих зависят от режима сварки, полярности тока, состава электродного металла и газовой среды, состояния поверхности и диаметра электрода.

Сила тяжести оказывает существенное влияние лишь при сварке на малых токах и ее роль проявляется в стремлении капли под действием собственного веса переместиться вниз. При сварке в нижнем положении сила тяжести играет положительную роль при переносе капли в сварочную ванну; при сварке в вертикальном и особенно в потолочном положениях она затрудняет процесс переноса электродного металла.

Сила поверхностного натяжения вызвана стремлением жидкости уменьшить свою поверхность под действием молекулярных сил, стремящихся придать ей такую форму, которая бы обладала минимальным запасом энергии (сфера). Поэтому сила поверхностного натяжения придает  капле  расплавленного металла При сварке происходит ряд достаточно сложных физико-химических процессов, определяющих качество сварного соединения. Источники сварочного нагрева оказывают тепловое и химическое воздействие на основной и присадочный металлы, от чего зависят состав и свойства металла шва и околошовной зоны. В процессе сварки металл плавится, образуя сварочную ванну, а затем затвердевает в виде сварного шва. В зоне сварки происходит взаимодействие жидкого металла с окружающей средой (шлаком и газом). Названные процессы являются общими для всех способов сварки плавлением.

Плавление и перенос электродного металла. От этого процесса зависят производительность сварки, потери металла, формирование шва, устойчивость горения дуги и другие факторы. Плавление электрода происходит главным образом за счет тепловой энергии дуги. Основной характеристикой плавления электрода являются линейная скорость его расплавления в единицу времени, которая зависит от состава электрода, покрытия, режима сварки, плотности и полярности тока.

В общем случае скорость плавления электрода возрастает с увеличением силы тока примерно по линейной зависимости и определяется условиями выделения и передачи теплоты в анодной и катодной областях и зависит от полярности тока. При плавлении на торце электрода образуется капля жидкого металла. Большая удельная поверхность и высокие температуры капель способствуют интенсивному взаимодействию металла с окружающей средой. Поэтому характер переноса электродного металла оказывает значительное влияние на кинетику физико-химических процессов.

Характер переноса электродного металла зависит от соотношения сил, действующих на каплю металла на торце электрода, основными из которых является сила тяжести, сила поверхностного натяжения, электромагнитная сила, сила реактивного давления, паров, аэродинамическая сила и др. Значения отдельных сил и направление их равнодействующих зависят от режима сварки, полярности тока, состава электродного металла и газовой среды, состояния поверхности и диаметра электрода.

Сила тяжести оказывает существенное влияние лишь при сварке на малых токах и ее роль проявляется в стремлении капли под действием собственного веса переместиться вниз. При сварке в нижнем положении сила тяжести играет положительную роль при переносе капли в сварочную ванну; при сварке в вертикальном и особенно в потолочном положениях она затрудняет процесс переноса электродного металла.

Сила поверхностного натяжения вызвана стремлением жидкости уменьшить свою поверхность под действием молекулярных сил, стремящихся придать ей такую форму, которая бы обладала минимальным запасом энергии (сфера). Поэтому сила поверхностного натяжения придает  капле  расплавленного металла кислорода. Размер капель при этом существенно зависит от силы тока. При низких плотностях тока металл переносится сравнительно крупными каплями. С увеличением плотности тока масса переносимых капель резко уменьшается, уменьшается также время взаимодействия капли с окружающей средой (шлаком, газовой фазой). Этому способствуют более высокая температура капель и сравнительно низкое межфазное натяжение на границе металла со шлаком. При высоких плотностях тока наблюдается чрезвычайно мелкокапельный (так называемый туманообразный) перенос металла.

Изменение напряжения дуги в практически целесообразных диапазонах не оказывает существенного влияния на перенос металла у электродов с рутиловым и кислым покрытиями.
У электродов с кислым и рутиловым покрытием при увеличении толщины покрытия наблюдается повышение содержания кислорода в каплях и уменьшение их размеров. Уменьшению размеров капель способствуют также аэродинамические силы. У электродов с основным покрытием содержание кислорода в каплях с увеличением толщины покрытия снижается, что способствует увеличению размеров капель. Таким образом, влияние толщины покрытия определяется в основном содержанием кислорода в каплях, которое оказывает большое влияние на силы поверхностного натяжения, удерживающие  каплю  на  торце  электрода.

Формирование и кристаллизация сварочной ванны. В сварочной ванне расплавленные основной и, если используют, дополнительный металлы перемешиваются. По мере перемещения источника теплоты вслед за ним перемещается и сварочная ванна. В результате потерь теплоты на излучение, теплоотвод в изделие в хвостовой части ванны происходит понижение температуры расплавленного металла, который, затвердевая, образует сварной шов. Форма и объем сварочной ванны зависят от способа сварки и основных параметров режима.
Кристаллизация металла сварочной ванны начинается от частично оплавлен-
 
ных зерен основного или ранее наплавленного металла в виде дендритов, растущих в направлении, обратном теп-лоотводу. В различные этапы кристаллизации металла сварочной ванны и роста дендритов состав кристаллизирующегося жидкого металла не одинаков. Первые порции металла менее загрязнены примесями, чем последние. В результате образуется зональная и внутридендрит-ная химическая неоднородность металла, которая зависит от его химического состава, формы сварочной ванны, скорости кристаллизации и способа сварки.

Металл швов, выполненных сваркой плавлением, имеет столбчатое строение. Столбчатые кристаллиты отличаются сравнительно крупными размерами и легко различимы при изучении макроструктуры (при небольших увеличениях).

Образование и строение зоны термического влияния. Теплота, выделяемая при сварке, распространяется вследствие теплопроводности в основной металл. В каждой точке околошовной зоны температура вначале нарастает, достигая максимума, а затем снижается. Чем ближе точка расположения к границе сплавления, тем быстрее происходит нагрев металла в данном участке и тем выше максимальная температура, достигаемая в нем. Поэтому структура и свойства основного металла в различных участках сварного соединения различны. Зону основного металла, в которой под воздействием термического цикла при сварке произошли фазовые и структурные изменения, называют зоной термического влияния (ЗТВ). Характер этих превращений и протяженность зоны термического влияния зависят от состава и теплофизических свойств свариваемого металла, способа и режима сварки, типа сварного соединения и т. п.

На рис. 7 приведены поперечное сечение стыкового сварного соединения при однослойной сварке низкоуглеродистой стали, кривая распределения температур по поверхности сварного соединения в момент, когда металл шва находится в расплавленном состоянии, и структуры различных участков зоны термического влияния шва после сварки, образованные в результате воздействия термического цикла сварки.

Рис. 7. Схема строения зоны термического влияния сварного соединения при дуговой сварке низкоуглеродистой стали

На участке неполного расплавления металл находится в твердо-жидком состоянии, что приводит к оплавлению зерен металла. Пространство между нерасплавившимися зернами заполнено жидкими прослойками, связанными с металлом сварочной ванны. Состав и структура металла в этой зоне зависят также от диффузии элементов, которая может проходить как из основного нерасплавив-шегося металла в жидкий металл, так и наоборот. Этот участок по существу и является местом сварки. Его протяженность зависит от состава и свойств металла, способа сварки и обычно не превышает 0,5 мм, но свойства металла в нем могут оказывать решающее влияние на свойства всего сварного соединения.

На участке перегрева металл нагревается от 1100—1150°С до температуры плавления. Здесь происходит рост зерна, размеры которого увеличиваются тем больше, чем выше температура металла. Даже непродолжительное пребывание металла при температурах свыше 1100°С приводит к значительному увеличению размера зерен. Крупнозернистая   структура   металла   на   участке перегрева после охлаждения может привести к снижению механических свойств соединения. Металл следующего участка имеет мелкозернистую структуру с высокими механическими свойствами.

Металл, нагретый в интервале температур 500—720°С (участок рекристаллизации) , по структуре незначительно отличается от основного. Если до сварки металл подвергался пластической деформации, то при нагреве в нем происходит сращивание раздробленных зерен основного металла — рекристаллизация. При значительной выдержке при этих температурах может произойти рост зерен. Механические свойства металла этого участка могут несколько снизиться вследствие разупрочнения из-за снятия наклепа.

При нагреве металла в интервале температур 100—500°С (участок старения) его структура в процессе сварки не претерпевает видимых изменений. Однако в некоторых сталях, содержащих повышенное количество кислорода и азота (обычно кипящих), их нагрев при температурах 150—350°С сопровождается резким снижением ударной вязкости и сопротивлением    хрупкому    разрушению.