34

Введение

При сварке плавлением под действием источника теплоты кромки металла свариваемых элементов (основной металл) и, если необходимо, дополнительный металл (сварочная проволока) расплавляются в месте соединения, образуя сварочную ванну. В ней происходят различные физико-химические взаимодействия. При охлаждении, по мере удаления источника теплоты, металл сварочной ванны кристаллизуется, образуя сварной шов, соединяющий свариваемые элементы. В отличие от основного металла, структура которого характерна измельченным после пластической деформации зерном (прокатка и т.д. за исключением сварно-литых конструкций) металл шва всегда имеет структуру литого металла с укрупненным зерном. Его химический состав и свойства могут значительно отличаться от состава и свойств основного металла.

Рядом со швом в основном металле под действием теплоты, распространяющейся из зоны сварки, происходят структурные изменения (зона термического влияния). Таким образом, сварное соединение, т.е. металл шва и зоны термического влияния (ЗТВ) характеризуется разнообразием структур и значит и свойств.

При сварке плавлением в качестве источника теплоты используют различные источники: высокотемпературное газовое пламя (газовая сварка), электрическую дугу (электродуговая сварка), теплоту выделяемую в шлаковой ванне проходящим через нее электрическим током (электрошлаковая сварка), теплоту струи ионизированных газов плазмы (плазменная сварка), теплоту, выделяемую в металле в результате преобразования в ней кинетической энергии электронов (электронно-лучевая сварка), теплоту, вносимую в металл в результате поглощения светового луча лазера (лазерная сварка) и некоторые другие.

1. Общая характеристика металлургических

процессов

Многие технологические процессы сварки, а также процессы пайки происходят с обязательным расплавлением присадочных материалов (проволоки, электродов, припоя и т.п.), а также кромок свариваемых металлов при сварке плавлением.

В последнем случае в зоне сварки образуется ванночка жидкого металла. Во время плавления, стекания в ванночку и в самой ванночке металл, как правило, нагревается до высоких температур, вплоть до температуры кипения. В результате этого идет его интенсивное испарение. Это особенно сильно проявляется при сварке сплавов, содержащих элементы с низкой температурой кипения, т.к. в результате развития испарения изменяется состав сплава в зоне сварного шва, а следовательно и свойства шва.

Под воздействием газовой среды, в которой расплавляется металл при сварке (чаще всего это окружающий нас воздух) наблюдается окисление металла, а также растворение в нем других газов, составляющих воздух. Это также может привести к изменению состава металла шва, образованию неметаллических включений, газовых пор и горячих трещин в швах.

С целью повышения качества металла шва жидкий металл в ванночке всегда защищают от воздействия воздуха специальными техническими приемами: применяют специальные защитные газы, флюсы, обмазки на электродах. Иногда процесс ведут в активной газовой среде или в вакууме. В ряде случаев металл специально легируют необходимыми элементами, чтобы скомпенсировать уход этих элементов в результате испарения, а также для компенсации вредного влияния примесей, содержание которых в металле шва может увеличиваться в процессе взаимодействия с окружающей средой.

Электродные покрытия и флюсы - это смеси солевых, оксидных и солеоксидных веществ, которые в процессе сварки претерпевают различные превращения: расплавляются, диссоциируют, испаряются и т.п. При этом продукты этих превращений используются для защиты расплавленного металла от окружающей среды, а также для его легирования.

Например, в электродном покрытии содержится крахмал, декстрин, целлюлоза, углекислые соли, мрамор, магнезит и др. Эти вещества, разлагаясь под действием высокой температуры источника теплоты, образуют значительное количество газов (Н₂, СО, СО₂, Н₂О - пар), которые расширяясь оттесняют окружающий воздух, а следовательно О₂ и N₂ вместе с ним. Поэтому эти вещества называют газообразующими.

В состав электродного покрытия входят также шлакообразующие вещества, чаще всего оксиды и галлоидные соли. Эти вещества, расплавляясь образуют шлаки, которые обволакивают капли расплавленного металла электрода, покрывают сплошным слоем ванночку, изолируя, таким образом, расплавленный металл от окружающего воздуха.

Шлаки выполняют также рафинирующие и легирующие функции, т.е. они "промывают" металл ванночки, очищая его от вредных примесей, а также легируют для улучшения свойств наплавленного металла.

Принципиально такая же схема применяется при создании флюсов для дуговой сварки под флюсом, электрошлаковой сварки, пайки. Разница только в относительном содержании газообразующих и шлакообразующих компонентов. Например, флюс для ЭШС вообще не содержит газообразующих компонентов, так как плавление и перенос металла электродов происходит внутри шлаковой ванны. В этих условиях контакта расплавленного металла с окружающим воздухом практически нет.

При газоэлектрической сварке (аргонодуговая, сварка в СО₂) зону вокруг сварочной дуги закрывают потоком защитного газа, вытекающего из горелки через специальное сопло. При этом используют либо слабо активные газы (например СО₂), либо полностью защитные (Ar, He).

Углекислый газ (СО₂), содержащий кислород, несколько окисляет металл в сварочной ванне, поэтому для "компенсации" в присадочную проволоку добавляют несколько большее количество элементов - раскислителей (Mn, Si).

Таким образом, практически при всех способах сварки плавлением, приходится учитывать взаимодействие металла, его примесей или легирующих добавок с окружающей средой (газами), шлаковой или газошлаковой средой.

Известно, что протекание реакций взаимодействия между простыми или сложными веществами, определяется температурой, давлением, характером поверхностей раздела, скоростью поступления веществ в зону реакции, временем взаимодействия и др.

Рассмотрим кратко эти условия применительно к сварочным процессам.

1. Температурная обстановка в реакционном пространстве. Температура расплавленного металла в любой сварочной ванне неодинакова и изменяется по ее длине, ширине и глубине, рис. 1.1. При этом температура жидкого металла у кромок нерасплавленного или затвердевшего металла (по контуру ванны – вблизи изотермической поверхности Т_пл) примерно равна его температуре плавления. Поверхность ванны непосредственно под источником (под наиболее нагретой частью пламени или пятном сварочной дуги и прилегающих к ним частей) имеет более высокую температуру (перегрета выше Т_пл).

Р ис. 1.1.

В промежуточных зонах ванны температура жидкого металла выше Т_пл, но ниже максимальной. Контур сварочной ванны (Т=Т_пл) в плане и такие изотермические поверхности в различных сечениях (1-1V) по ее длине показаны на рис.1,а. Температурный градиент в ванне, кроме вида и режима сварки, зависит также от интенсивности потоков жидкого металла, общий характер которых изображен на рис 1,б. Распределение температуры поверхности металла сварочной ванны при газовой сварке и дуговой сварке неплавящимся электродом схематически показано на рис 1,в.

Отметим, что при газовой сварке температура поверхности сварочной ванны - 1600 – 1630^оС, т.е. примерно на 100 – 150^оС выше Т_пл. При сварке неплавящимся электродом максимальная температура поверхности ванны, несколько выше и может достигать 1800 – 1850^оС. Характер распределения температур в сварочной зоне при дуговой сварке плавящимся электродом с покрытием показан на рис. 1.2.

Рис. 1.2.

Видно, что в металлической части плавящегося электрода температура повышается по мере приближения к торцу, на котором горит дуга (сплошная линия на рис. 2,а). На некотором расстоянии от торца температура достигает температуры плавления, стержень плавится, образуя каплю металла.

Торцевая поверхность капли приближается к температуре кипения металла.

Покрытие, являясь непроводящим или слабопроводящим ток, имеет температуру меньшую, чем стержень. Состав и толщину покрытия подбирают с учетом того, чтобы его плавление осуществлялось совместно с электродным стержнем. Газы из покрытия начинают выделяться выше зоны плавления, а шлаки частично покрывают (окутывают) металлическую каплю на торце электрода и иногда в виде мелких частичек находятся внутри металлической капли.

С некоторым интервалом времени (обычно от 0,05 до 1,0 с, наиболее часто 0,1 – 0,5 с) капля отделяется от электрода и переносится на другой полюс дуги – в сварочную ванну. Этот перенос может осуществляться в момент короткого замыкания дугового промежутка каплей расплавленного электродного металла, а при большой силе (плотности) тока капли отрываются от электрода и падают в ванну пересекают дуговой промежуток. В процессе переноса (его продолжительность 0,01…0,05 с) капля продолжает нагреваться газами сварочной дуги (их температура 4500 – 8000^оС) и ее средняя температура может повышаться. Согласно различным данным температура капель в дуговом промежутке при ручной сварке стальными электродами составляет 2100…2350 ^оС, повышаясь с увеличением силы и плотности тока в электроде.

При сварке под флюсом процесс качественно осуществляется так же, только вместо покрытия конец электрода обволочен (окутан) шлаком, образовавшемся при расплавлении флюса. Температура капель при автоматической сварки под флюсом в момент перехода через дугу при сварке стали может быть около 2500 ^оС.

Температура капель при сварке в углекислом газе (СО₂) при диаметре электродных проволок 1,2-2,0 мм составляет от 2350 до ~ 2600 ^оС.

Продолжительность переноса капли 0,01-0,05 с. Капли при этом подогреваются, т.к. проходят через горячую зону столба дуги. Аналогичная ситуация имеет место при дуговой сварке под флюсом и в СО₂, Ar и He. Капли, падая в ванну повышают ее температуру в месте падения.

Таким образом при дуговой сварке плавящимся электродом перегрев металла выше Т ^оС плавления довольно значителен.

При газовой сварке перегрев наименьший. При ЭШС температурный режим – промежуточный (Т_ванны ≈ 1900 ^оС, Т_{кипения} ≈ 2000 ^оС).

Так как капли падают в ванночку вместе со шлаком, то в ней образуется смесь жидкого металла, шлаковых частиц и газовых пузырей.

2. Внешнее давление, при котором происходят реакции в условиях сварки ≈ 1атм (кроме некоторых частных случаев - сварка под водой на значительной глубине, сварка в вакууме).

3. Поверхность раздела (т.е. поверхность контакта) между жидкими каплями и окружающей средой при сварке обычно достаточно велика, т.к. капли мелки по своему размеру. Иначе говоря, площадь поверхности взаимодействия по отношению к объему металла очень велика. Наличие внутри капель газовых и шлаковых частиц еще больше увеличивает поверхность взаимодействия "металл-газ" и "металл-шлак".

4. Время взаимодействия, то есть время пребывания металла в сварочной ванне в жидком состоянии составляет от несколько секунд до 30-40 с.

Таким образом, условия взаимодействия расплавленного металла при сварке отличается довольно большой неравновесностью. С одной стороны, температура в зоне сварочной ванны очень высока и непрерывно меняется, имеются большие градиенты температуры по длине, ширине и глубине сварочной ванны. С другой стороны – в зону реакции непрерывно поступают новые порции непрореагировавших компонентов (присадочный металл, газы, компоненты флюса, обмазки и др.).