1.2 Общая схема взаимодействия металлической, газовой и шлаковой фаз при сварке

При всех способах сварки плавлением для локального расплавления металла применяются мощные источники тепловой энергии, позволяющие вводить в ограниченный объем большое количество тепла, создавать значительное местное повышение температуры. Наиболее эффективными при этом являются сварочные источники тепла, позволяющие создавать мощные тепловые потоки, которые даже при высокой теплопроводности свариваемых металлов обеспечивают большой градиент температур от места ввода тепла к окружающему этот объем металлу. Это, как следствие, приводит в большинстве случаев к значительному перегреву основных объемов расплавляемого при сварке металла.

Как указывалось, обычно при сварке плавлением сварочная ванна образуется за счет смешивания расплавленного основного металла и добавочного (наплавляемого). Максимальная температура перегрева металла в сварочной ванне и поступающего в нее обычно в виде капель присадочного металла в большинстве случаев различна. Меньший объем капель, их относительно большая удельная поверхность, через которую поступает тепловой поток, отсутствие в них значительных теплоотводящих масс приводят, как правило, к более значительному их перегреву, по сравнению с металлом ванны.

Только в некоторых случаях, например при газовой сварке железных сплавов, когда присадочный материал вводится прямо в жидкую сварочную ванну и плавится в ней без формирования падающих в пламени капель, и при аргоно-дуговой сварке не-плавящимся электродом с присадками в виде вставок в зазоре температура перегрева и присадочного металла и сварочной ванны примерно одинакова.

Рассмотрим некоторые примеры температурного состояния расплавленного металла в условиях различных способов сварки плавлением.

При газовой сварке малоуглеродистой стали (Т_пл = 1500°С) максимальная температура сварочной ванны у ее поверхности равна 1630—1650°С; видимо, и для расплавляемого присадочного металла в этом случае максимальная температура также составляет примерно 1650°С. При электрошлаковой сварке стали температура в сварочной ванне, в среднем равна ~1680° С, достигая —2000°С в наиболее нагретой части; температура капель при этом в случае расплавления проволоки превышает 2000°С.

При дуговой сварке плавящимся электродом температура ванны и капель еще выше. Так, средняя температура ванны при сварке под флюсом И. И. Фруминым и И.К. Походней определена в 1770 ± 100° С. Температура капель при этом достигает 2400—2500°С. При режимах ручной дуговой сварки средняя температура ванны составляет 1950—2000° С, а капель 2100—2500°С.

Так как при обычных металлургических процессах производства сталей температура жидкого металла обычно выше 1650— 1700°С не поднимается, можно отметить, что в условиях сварочных процессов имеют место значительно более высокие перегревы металла.

То же наблюдается и при сварке других металлов. Например, при аргоно-дуговой сварке титана (T_пл = 1650°С) неплавящимся электродом, по данным Л. И. Мальцева, температура сварочной ванны равна —2100°С.

При дуговой сварке алюминия и его сплавов (Т_пл = 640-660°С) также известны значительные перегревы и ванны, и капель.

Так, при аргоно-дуговой сварке алюминиево-магниевых сплавов неплавящимся электродом Ю.А. Деминский определил температуру ванны в пределах 750 — 900°С. При аргонодуговой сварке плавящимся электродом температура капель им определена в зависимости от режима в пределах 1250—1550°С, т. е. приближается к температуре кипения сплава. Температура ванны при этом по расчету составляет —900—1000°С. При сварке чистого алюминия, по японским данным, температура капель достигает ~1700°С. Ванная при дуговой сварке по флюсу, по измерениям Д.М. Рабкина, имеет температуру 1000 ± 100°С. Таким образом, и в этих случаях при сварочных процессах температура жидкого металла, особенно капель наплавляемого металла, значительно выше температуры плавления свариваемого или присадочного металла. Это обстоятельство должно учитываться при рассмотрении общей схемы взаимодействия материалов в условиях сварки.

Конечной целью расплавления, обработки и кристаллизации металла при сварке плавлением является получение доброкачественного металла шва, имеющего хорошее сплавление с кромками свариваемых деталей, необходимый состав и структуру, обеспечивающие требуемые свойства. При этом, как правило, весьма важным является максимальное удаление из металла ряда вредных примесей, отрицательно влияющих как на технологическую (т.е. проявляющуюся в связи с самим процессом изготовления сварных конструкций и выполнением сварки), так и на эксплуатационную прочность сварных соединений. Такими примесями являются для железных сплавов S, Р, О, N, Н и др., а в некоторых высоколегированных сталях, кроме того, Zn, As, Pb и др., в сплавах на медной основе — О, Н, Bi, Pb и пр.

Недопущение этих примесей в металл или их наиболее полное удаление из металла связано и с составом применяемых сварочных материалов, и с процессами взаимодействия металла с окружающей материальной средой при сварке.

При сварке металл всегда контактирует с окружающей средой. Это или газовая фаза (воздух, защитные газы, смеси газов и паров, вакуум и пр.), или шлаковые расплавы (различные окислы, галогениды, их смеси и т. д.), или и газы, и шлаки. В процессе сварки происходит взаимодействие металла, особенно перегретого выше температуры плавления, с этими газами и шлаками. Такое взаимодействие может быть для металла полезным, но в большинстве случаев портит его состав и свойства. Поэтому процессы взаимодействия металла с газами и шлаками при сварке следует обязательно учитывать и по возможности регулировать в нужном направлении.

Изменения состава металла в сварочных условиях определяются, во-первых, испарением в связи с высокими температурами перегрева жидкого металла и, во-вторых, обменными реакциями с газами и шлаками, в частности окислительными процессами. Кроме того, возможно и просто физическое растворение в металле элементов из окружающей его материальной среды.