Металлургические процессы в зоне сварки плавлением, особенности металлургии сварки.

Применение при сварке мощных высококонцентрированных и высокотемпературных источников теплоты приводит к расплавлению кромок свариваемого изделия, электродного (или присадочного) материала и покрытия или флюса. При этом образуется сварочная ванна расплавленного металла, окруженная относительно холодным металлом, иногда значительной толщины, и покрытая слоем расплавленного шлака.

Нагрев основного и присадочного металлов до расплавления с последующим охлаждением и затвердеванием сопровождается фазовыми переходами в веществе. При сварке плавлением происходит взаимодействие расплавленного металла со шлаком, а также с выделяющимися газами и воздухом. Это взаимодействие начинается с момента образования капель металла и продолжается до полного охлаждения наплавленного металла шва.

Основными особенностями металлургических процессов, протекающих при сварке, являются:

высокая температура процесса; небольшой объем ванны расплавленного металла; большие скорости нагрева и охлаждения; отвод теплоты в окружающий ванну основной металл; интенсивное взаимодействие расплавляемого металла с газами и шлаками в зоне интенсивного нагрева; быстрая кристаллизация сварочной ванны.

Все это усложняет получение сварного шва с заданными физико-механическими свойствами, которые предопределяются химическим составом металла шва и его структурой.

Химический состав металла шва и его свойства зависят от состава и доли участия в формировании шва основного и присадочного металлов, покрытия и флюсов, степени защиты от воздуха, приемов ведения и режимов сварки. Металл шва образуется в результате перемешивания в сварочной ванне основного и присадочного металлов и реакций взаимодействия нагретого металла с газами атмосферы и защитной средой.

Высокая температура источника тепла ускоряет физико-химические процессы, происходящие при плавлении металла. Она вызывает также диссоциацию (распад) молекул кислорода, азота и паров воды. В атомарном состоянии газы, обладая высокой химической активностью, интенсивно взаимодействуют с расплавленным металлом шва. Поэтому одной из серьезных задач при сварке плавлением является защита сварочной ванны от вредного воздействия воздуха и предотвращение попадания в металл шва вредных веществ (влаги, ржавчины, минеральных масел и т. п.). Кроме того, высокая температура способствует выгоранию примесей и тем самым изменяет химический состав свариваемого металла.

Небольшой объем ванны расплавленного металла (при ручной сварке -0,5—1,5 см3, при автоматической сварке — 24—300 см3) и интенсивный отвод теплоты в окружающий ванну металл не дают возможности полностью завершиться всем реакциям взаимодействия между жидким металлом, газами и расплавленным шлаком. Большие скорости нагрева и охлаждения значительно ускоряют процесс кристаллизации и, соответственно, приводят к образованию закалочных структур, трещин и других дефектов. Под воздействием теплоты происходят структурные изменения в металле околошовной зоны, которые приводят к ослаблению сварного шва.

Рассмотрим взаимодействие расплавленного металла сварного шва с газовой средой, которая состоит главным образом из кислорода, азота и водорода.

Кислород, поступающий в зону сварки из воздуха и покрытия электродов, является наиболее вредной примесью, и его повышенное содержание в сварном шве приводит к понижению прочности, пластичности, вязкости и антикоррозионных свойств шва.

С железом кислород образует три вида оксидов: FeO, Fe203, Fe304. Наиболее отрицательное воздействие оказывает FeO, который хорошо растворяется в расплавленном металле шва, но растворимость его зависит от содержания углерода в стали и температуры. С ростом температуры растворимость повышается. Поэтому при охлаждении стали происходит выпадение его из раствора. При высоких скоростях охлаждения сварного шва часть оксидов FeO остается в растворе, образуя шлаковые прослойки между зернами металла, при этом повышая порог хладноломкости, т. е. температуру, при которой металл теряет пластичность. Для швов с повышенным содержанием FeO этот порог составляет -10...-15 °С.

Азот в зону сварки попадает из воздуха и в зоне сварки находится как в молекулярном, так и в атомарном состоянии. Атомарный азот более активно растворяется в расплавленном металле сварочной ванны, чем молекулярный, образуя при этом нитриды железа (Fe2N, Fe4N), марганца (MnN) и кремния (SiN), которые, в свою очередь, снижают пластичность и повышают твердость наплавленного металла.

На степень насыщения металла шва азотом оказывают влияние режимы сварки и охлаждения. Медленное охлаждение шва способствует удалению из него газообразною азота. При больших скоростях охлаждения азот не успевает полностью выделиться и составляет с металлом перенасыщенный твердый раствор. Такой азот со временем становится причиной старения металла шва и снижения его механических свойств.

Водород в зоне сварки образуется во время диссоциации водяных паров при высокой температуре дуги. Водяные пары поступают в зону сварки из атмосферной влаги, а также из влаги, содержащейся в покрытии электродов, флюсах, ржавчине на кромках заготовок и т. п. Молекулярный водород при дуговой сварке распадается на атомарный, который хорошо растворяется в расплавленном металле.

Атомарный водород, растворяясь в жидком металле, может оставаться в таком состоянии до тех пор, пока температура не опустится примерно до 200 °С. При дальнейшем понижении температуры водород из атомарного состояния переходит в молекулярное, вызывая при этом значительные внутренние напряжения и, как следствие, образование флокенов. Гидриды и флокены снижают прочность и пластичность металла шва, что, в свою очередь, приводит к водородной хрупкости и образованию трещин.

Для уменьшения содержания в сварном шве водорода пользуются рядом практических приемов:

электроды и флюсы перед сваркой тщательно прокаливают; кромки свариваемых заготовок и сварочную проволоку очищают от влаги, грязи и ржавчины; швы выполняют с минимальным числом проходов, так как при наложении последующего шва предыдущий шов в момент вторичного расплавления насыщается водородом; при выполнении сварочных работ на открытой площадке обеспечивают защиту зоны сварки от атмосферных осадков; сварку ответственных конструкций выполняют только при положительных температурах.