11. Сварочная ванна, факторы, определяющие размеры и форму сварочной ванны.

Сварочная ванна - Объем расплавленного металла, образующийся при сварке плавлением под воздействием источника тепла, называют сварочной ванной. Различают сварочную ванну первого типа, образующуюся, например, при дуговой или газопламенной сварке, и второго типа, образующуюся при электрошлаковой сварке. Схема образования шва при дуговой сварке: 1 - линия (зона) сплавления; 2 - частично оплавленные зерна основного металла; 3 - столбчатые кристаллиты; 4 - кристаллизационные слои; 5 - автономные неориентированные кристаллиты; S - толщина свариваемой кромки; h - глубина проплавления; е - ширина шва; q - высота усиления шва. В головной части ванны на линии АБВ (на фронте плавления) происходит плавление основного металла. Под действием давления дуги, в) потоков газа, реакции паров металла, конвекции, возникающей из-за неравномерного нагрева, жидкий металл под источником тепла (под сварочной дугой) оттесняется, постоянно перемещаясь в хвостовую часть ванны. В нем образуется углубление-кратер, которым определяется глубина проплавления h. В хвостовой части ванны металл охлаждается и на задней границе ванны (на линии АГВ), которую называют фронтом затвердевания, кристаллизуется. Электродный или присадочный металл, расплавляясь, перемешивается в сварочной ванне с основным металлом и обеспечивает усиление q сварного шва. Между металлом шва и основным металлом свариваемой детали образуется четкая граница 7, которую называют зоной сплавления, или, при малой ее ширине, линией сплавления. Размеры и параметры сварочной ванны зависят от тепловой мощности источника тепла, скорости сварки и теплофизических свойств свариваемого и электродного материалов. Длину ванны при дуговой сварке можно определить по формуле L = к (С//)2 / (FCB52), где к = 2,8...3,6 мм/(кВ-А); U - напряжение на дуге, В; /- сила сварочного тока, А; 5 - толщина свариваемых кромок, мм. Длительность пребывания сварочной ванны в жидком состоянии рассчитывают как отношение длины сварочной ванны L к скорости сварки VCB: t-к - LI Ксв. Ширина сварочной ванны определяет ширину шва е, которая характеризует форму шва. Коэффициент формы шва \|/ приближенно находят как отношение ширины шва к глубине проплавления: \|/ = e/h.

Сварочная ванна – объём металла, ограниченный изотермической поверхностью Т = Т_пл.

Различают сварочные ванны двух типов:

1 тип – характерна для дуговой, электронно-лучевой, кислородно-ацетиленовой сварки.

2 тип – при ЭШС, дуговой сварке толстых пластин с принудительным формированием шва.

Эти типы сварочной ванны отличаются условиями затвердевания металла. В ванне 2 типа затвердевание идёт со дна ванны, а в ванне 1 типа со дна и со стенок.

Размеры и формы сварочной ванны.

Рассмотрим сварочную ванну 1 типа.

1-2-3 – передний фронт (фронт плавления);

3-4-1 – фронт затвердевания;

F₀ – площадь сечения расплавленного металла;

F_н – площадь сечения наплавленного металла.

В головной части ванны действует сила давления сварочной дуги, величена которой соизмерима с весом сварочной ванны. Здесь же действует сила давления струи защитного газа или паров расплавленного электрода или покрытия, а также сила действия паров расплавленного основного металла. Под действием этих сил металл сострагивается с передней стенки ванны. Это явления в физике называется абляцией. При этом кинетическая энергия расходуется на движение металла в хвостовую часть ванны, в которой происходит кристаллизация этого металла. Образуется сварной шов. Доля основного металла в шве:

Доля наплавленного металла:

Размеры сварочной ванны имеют большое значение для формирования шва. Необходимо знать, чтобы регулировать их и управлять качеством сварного соединения и правильно выбирать режимы сварки.

Длина сварочной ванны зависит:

К – эмпирический коэффициент пропорциональности (К = 2,8…3,6).

Важной характеристикой является коэффициент формы шва:

Изменяя, подбором режима, размеры и y можно управлять кристаллизацией. При большом значении y существенно возрастает доля присадочного металла в шве. Если применять более пластичный металл, чем основа сплава, то можно уменьшить склонность металла шва к трещинам. Однако при большом коэффициенте формы шва возрастает вероятность усадочного явления. На процесс кристаллизации и на процесс газонасыщения металла шва сильно влияет время пребывания металла в жидком состоянии.

Существенное влияние на механические свойства металла шва и сварочного соединения в целом оказывает скорость нагрева и охлаждения металла при сварке. Она зависит от режимов и способа сварки.