1. Процесс кристаллизации сварочной ванны

При сварке плавлением процесс образования шва условно можно разделить на три этапа, непосредственно зависящие от режима и особенно от метода сварки:

1) расплавление основного металла дугой или газовым пламенем на некоторую глубину и вытеснение жидкого металла назад (по ходу сварки);

2) постепенное заполнение углубления смесью расплавленного электродного и основного металла (образовавшегося от расплавления впереди лежащих участков) по мере движения источника тепла;

3) совместная кристаллизация электродного и основного металла в зоне, подвергавшейся расплавлению.

Таким образом, металл шва кристаллизуется в условиях, с одной стороны, подогрева теплом дуги, а с другой стороны, охлаждающего действия окружающего ванну основного металла и верхнего покрова (воздуха, шлака, защитного газа). Кристаллизация металла сварочной ванны происходит при достаточном удалении источника нагрева, когда преобладает охлаждающее действие. Процесс кристаллизации начинается от нерасплавившихся кристаллов основного металла и развивается в направлении, перпендикулярном к поверхностям охлаждения. Этот процесс протекает непрерывно, но складывается из отдельных последовательно протекающих периодов.

Периодичность кристаллизации связана с периодичностью охлаждения, так как после кристаллизации первого слоя происходит некоторая задержка, связанная с замедлением охлаждения, которое вызвано ухудшением теплоотдачи и выделением скрытой теплоты кристаллизации первого слоя. После некоторой остановки, намечающей границу между первым и вторым слоем, благодаря продолжающемуся теплоотводу в глубь основного металла начинается кристаллизация второго слоя. После образования второго слоя и выделения им скрытой теплоты кристаллизации теплоотвод снова замедляется, снова происходит остановка и т. д. Процессу «послойной кристаллизации» способствует также волнообразное поступление жидкого металла по мере его плавления при движении источника тепла.

Для режимов ручной сварки характерна небольшая (по сравнению с шириной шва) глубина проплавления основного металла, а для (режимов сварки под флюсом (автоматической и полуавтоматической) - значительно большая глубина проплавления. В зависимости от формы проплавления и формы ванны расположение отдельных кристаллитов и кристаллизационных слоев будет различным.

М. В. Шаманин установил, что при дуговой сварке скорость роста отдельных кристаллов VK зависит от скорости сварки VCB и определяется уравнением VK = VCB cos a, где а - угол между векторами скорости сварки и скорости роста кристаллов. Образующиеся крупные кристаллы начинают формироваться от границы сварочной ванны (а = 90°) и по мере роста, искривляясь, переходят к оси шва (а = 0°). Искривление осей кристаллов обусловлено криволинейностью поверхностей охлаждения шва, что вызывает взаимный наклон кристаллов. Вследствие этого каждый новый кристалл при кристаллизации следующего слоя несколько отклоняется от оси кристалла предыдущего слоя, от которого он начал кристаллизоваться. Таким образом, средняя линейная скорость образования кристаллов, т. е. скорость роста кристалла по его оси постепенно увеличивается от минимальной вблизи границы сварочной ванны до скорости сварки у оси шва.

При обычном травлении макрошлифа выявляется характерная крупнодендритная (столбчатая) структура металла шва, а при глубоком травлении специальными реактивами обнаруживаются кристаллизационные слои.

Процессу кристаллизации металла шва сопутствует явление ликвации, т. е. неравномерного распределения химических элементов, входящих в состав сплава. Для сварных швов характерны два вида ликвации: зональная и межкристаллическая (дендритная).

Зональная ликвация вызывается неодновременностью кристаллизации шва. По мере кристаллизации жидкий металл в значительной степени обогащается примесями, дающими сплавы с более низкой температурой плавления. Эти примеси скапливаются в средней части шва, которая затвердевает в последнюю очередь. Таким образом, неизбежна разница в химическом составе периферийной и центральной частей шва. Зональной ликвации способствует также разница в физических свойствах жидкого металла и той части шва, в которой уже произошла кристаллизация. Разница в удельном весе кристаллов и жидкого металла будет вызывать их перемещение, что усилит зональную ликвацию. Очевидно, что при правильно выбранных материалах зональная ликвация при сварке не должна получить заметного развития в связи с большой скоростью сварки и кристаллизации и небольшим объемом жидкого металла.

Межкристаллическая (дендритная) ликвация возникает в результате того, что части дендритов, кристаллизующиеся в первую очередь, будут содержать меньше примесей, чем исходный жидкий сплав, а также части дендрита, кристаллизующиеся позже. Поэтому химический состав дендритов, образовавшихся в результате кристаллизации шва, не однороден. Центральные и начальные части дендритов будут состоять из наиболее чистого металла, а периферийные части и междендритное пространство будут в наибольшей степени загрязнены примесями.

Дендритная ликвация в сварных швах обусловливается высокими скоростями охлаждения и кристаллизации, в результате чего диффузионные процессы в жидкой и твердой фазах подавляются, а также уменьшается диффузия через контактные межфазовые поверхности. Это затрудняет процесс выравнивания химического состава дендритов за счет диффузии, и при обычных режимах сварки этот вид ликвации является основным. В ряде случаев при очень высоких скоростях охлаждения могут развиваться бездиффузионные процессы кристаллизации, при которых дендритная ликвация не получает значительного развития.

Процессы ликвации зависят также от температурного интервала затвердевания металла шва (разность температур начала и конца кристаллизации). Для малоуглеродистых сталей температурный интервал кристаллизации составляет всего 20-30°, поэтому значительного развития ликвация не получает. Для сталей с повышенным содержанием углерода температурный интервал кристаллизации резко возрастает, что способствует интенсивной ликвации металла шва.

При просмотре макрошлифов иногда обнаруживается нарушение сплошности макроструктуры из-за газовых включений, пор и неметаллических включений.

Прежде чем дать характеристику возможных включений, следует подчеркнуть, что наличие их не говорит о каком-то особом загрязнении металла шва. Наоборот, металл сварных швов всегда получается значительно чище, чем основной свариваемый металл, благодаря применению соответствующих сварочных материалов (толстопокрытых электродов, флюсов, проволоки). Однако в некоторых случаях включения могут быть в недопустимо большом количестве.

Газы выделяются из сварочной ванны в течение всего периода ее существования, однако они смогут преодолеть давление слоя металла, атмосферное давление и силы поверхностного натяжения металла только при определенном объеме. Выделению газов препятствует также рост кристаллов, так как отдельные газовые пузырьки задерживаются между разветвленными кристаллами шва. В связи с этим в металле шва могут образоваться заполненные газом полости - поры,- размеры которых достигают 1-2 мм и выше. Особенно сильная пористость швов наблюдается при сварке по ржавым кромкам.

Газовые включения и поры нарушают плотность и прочность сварного соединения, поэтому наличие их допустимо в очень ограниченных размерах, лишь при статической нагрузке и только тогда, когда они носят единичный характер.

Неметаллические включения в наплавленном металле могут появляться в результате недостаточной очистки сварочной ванны от шлаков, окислов или нитридов. С этой точки зрения большое значение имеют размеры и время существования сварочной ванны. Состав включений зависит, главным образом, от типа применяемых покрытий и флюсов.

При сварке электродами с ионизирующим покрытием в наплавленном металле могут иметься включения двух основных видов: закись железа (FeO) и нитриды (Fe2N и Fe4N). При сварке толстопокрытыми электродами могут оказаться, главным образом, окислы электродного покрытия. Неметаллические включения в металле шва часто находятся в виде комплексных соединений МnО-SiO2, FeO -SiO2. В недостаточно очищенном металле шва могут встречаться сульфиды марганца MnS.

Соединения типа FeS, FeS + Fe (легкоплавкие эвтектики) располагаются по границам зерен в виде тонких слоев и пленок; мелкодисперсные включения, состоящие из эвтектик этих включений с металлом, располагаются в виде мельчайших зерен. Отдельные крупные включения имеют игольчатую, глобулярную или вытянутую форму и располагаются внутри зерен металла шва. Количество шлаковых включений при сварке толстопокрытыми электродами и под флюсом в значительной степени зависит от чистоты свариваемых кромок и тщательности удаления шлака при многослойной сварке.

Размеры шлаковых включений обычно колеблются в пределах от тысячных до двух-трех сотых долей миллиметра и зависят от способностей шлаков к коагуляции, т. е. к переходу от состояния раствора к состоянию затвердения, а также от скорости всплытия частиц шлака и скорости диффузии их в твердом металле.

При большом количестве неметаллических включений, особенно крупных, нарушаются сплошность и однородность металла шва. Может значительно снизиться прочность сварного соединения, особенно при вибрационной нагрузке. Кроме того, физические свойства шлаковых включений и металла различны. Так например, различие в коэффициентах линейного и объемного расширения будет приводить к созданию напряженного состояния в металле шва в районе шлаковых включений, что может явиться одной из причин возникновения микротрещин в шве. Очевидно, что борьба за чистоту металла шва, за удаление газовых и шлаковых включений из сварочной ванны является одной из важнейших задач при разработке и осуществлении процесса сварки.