Металлургические процессы при сварке

В процессе сварки плавлением металл сварного соединения плавится под действием мощного концентрированного источника тепла (сварочной дуги или газового пламени).

Металлургические процессы в сварочной ванне протекают в условиях, значительно отличающихся от условий, протекающих при выплавке стали. Это объясняется малым объемом расплавленного металла и быстротой происходящих в нем явлений.

При дуговой сварке стали объем расплавленного металла обычно колеблется в пределах от 4 до 60 см³, а время затвердевания этого объема обычно не превышает несколько секунд, поскольку теплоотдача в окружающий сварочную ванну металл чрезвычайно велика.

В результате быстрого затвердевания металла сварочной ванны химические реакции, протекающие в расплавленном металле, не успевают закончиться. Для ускорения и облегчения протекания реакций в сварочной ванне, а также для создания условий вывода на ее поверхность растворенных в металле газов и шлаков применяются сварочные флюсы и разнообразные компоненты в составе покрытия сварочных электродов. При плавлении флюса или покрытия электродов на поверхности сварочной ванны образуется слой шлака, назначение которого, кроме снижения скорости охлаждения поверхности ванны, защищать перегретый металл сварочной ванны от воздействия окружающего воздуха. В сварочном шлаке растворяется большинство вредных примесей.

Кроме шлака в процессе горения дуги и плавления металла и покрытия электродов образуется большее количество различных газов, которые кроме газовой защиты сварочной ванны участвуют в металлургических процессах, так как химические реакции между жидким металлом и газообразными веществами протекают быстрее, чем с твердыми и жидкими компонентами сварочного шлака.

Однако часто меры, принимаемые для защиты металла сварочной ванны от воздействия окружающего воздуха, не обеспечивают полной изоляции расплавленного металла от кислорода, а его излишнее содержание ведет к снижению механических свойств металла шва.

Для снижения количества кислорода в наплавленном металле, а следовательно, для повышения механических свойств сварного соединения металл сварочной ванны раскисляют с помощью углерода, марганца, кремния и других компонентов, которые специально вводят в состав сварочной проволоки и покрытия электродов.

Для компенсации выгорающих при сварке элементов, а также для легирования металла с целью обеспечения равнопрочности и сближения химического состава основного и наплавленного металла последний за счет добавок в проволоку или покрытие легируют хромом, молибденом, титаном, ванадием, вольфрамом и другими элементами.

Сварочная ванна образуется из расплавленного основного и электродного металла. При остывании металла сварочной ванны происходит его первичная и вслед за ней вторичная кристаллизация.

Кристаллизация — это образование кристаллов металла из жидкого расплава. При изменении температуры в затвердевшем металле кристаллы теряют свою первоначальную форму, превращаясь в зерна. Этот процесс называется вторичной кристаллизацией (перекристаллизацией).

В узких швах, имеющих коэффициент формы шва (отношение ширины шва к глубине провара) меньше единицы, последние участки жидкого металла располагаются в центре сечения шва, поэтому в этом месте возможны скопления шлаков, газов и других нежелательных включений.

У швов с коэффициентом формы шва больше единицы последние участки жидкого металла находятся в середине поверхности шва, а все вредные включения сосредоточиваются в вершине шва и свободно удаляются со шлаковой коркой.

Выделяющееся при сварке тепло уходит в свариваемый металл через околошовные участки, называемые зоной термического влияния. От обычной термической обработки нагрев и охлаждение металла сварного соединения в зоне термического влияния отличается мощностью и кратковременностью теплового воздействия, вызывающего различные структурные изменения в околошовной зоне.

Свойства сварного соединения определяются свойствами металла шва и зоны термического влияния. Разрушения сварного соединения чаще всего происходят по этой зоне, где металл неоднороден и зачастую потерял пластичность.

I. Размеры зон теплового влияния при сварке

Способ сварки	Величина зоны (см. рис. 8), см
	2	3	4	5	6	7
Газовая сварка	2,5	2	4	2	5	14
Сварка под флюсом	0,9	1,2	1,7	0,8	0,7	8
Полуавтоматическая сварка в среде защитных газов	0,5	1,0	1,3	0,6	0,3	5
Сварка под флюсом с ППМ	0,4	1	1,2	0,6	0,5	6
Аргонодуговая сварка	0,3	2,5	2,7	1,8	0,8	4,5
Ручная электродуговая сварка	0,4	2,2	1,6	2,2	1,2	4,2

Размеры зон теплового влияния, участков перегрева, нормализации и частичного изменения структуры показаны в табл. 1 и на рис. 8.

Рис. 8. Схема изменений структуры стали в зове термического влияния
а — участок диаграммы железоуглеродистых сплавов; б — зоны термического влияния для малоуглеродистой стали: 1 — участок расплавленного в процессе сварки металла; 2 — участок неполного расплавления: 3 — участок перегретого металла: 4 — участок нормализации; 5 — участок неполной перекристаллизации; 6 — участок рекристаллизации; 7 — участок синеломкости; 8 — участок, не подверженный тепловому воздействию при сварке