14.3 Взаимодействие расплавленного ме­талла и шлака

Взаимодействие расплавленного ме­талла и шлака определяется составом шлака и условиями перераспределения растворимых соединений между контак­тирующими жидкими фазами. Шлаки об­разуются в результате расплавления по­крытий электродов или флюсов. Они со­стоят из смеси оксидов, фторидов, хлори­дов различных элементов и чистых метал­лов.

В результате взаимодействия со шла­ком происходят:

- раскисление металла сва­рочной ванны,

- удаление вредных примесей путем связывания их в нерастворимые соединения и вывода в шлак,

- легирование шва определенными элементами для вос­полнения их выгорания при сварке или придания шву специальных свойств.

При сварке сталей раскислителями служат Мn и Si, которые восстанавливают FeO, а их нерастворимые оксиды выводят­ся в шлак. Кроме того, марганец нейтра­лизует вредное действие растворенной в железе серы, связывая ее в нерастворимый и тугоплавкий сульфид MnS.

Мелкие час­тицы нерастворимых оксидов и сульфидов остаются в металле шва в виде неметалли­ческих включений. Однако их вредное влияние существенно меньше, чем FeO и FeS. Через шлак шов можно легировать различными элементами.

Кристаллизация сварного шва начина­ется от границ оплавленного основного металла и протекает путем роста столбча­тых кристаллитов к центру шва. При этом оси кристаллита, как правило, остаются перпендикулярными к поверхности дви­жущейся сварочной ванны, в результате чего кристаллиты изгибаются и вытяги­ваются в направлении сварки (рис. 14.1). Вследствие дендритной ликвации примеси располагаются по границам кристаллитов, где они могут образовать легкоплавкие эвтектики и неметаллические включения. Это снижает механические свойства шва и в отдельных случаях может быть причи­ной образования горячих трещин.

Рис. 14.1 – Столбчатые кристаллиты в сварном шве: 1 – сварочная ванна; 2 – изотерма кристаллизации шва; 3 – столбчатый кристаллит

15 Перенос металла с электрода на изделие

15.1 Сварочная ванна

Применение скоростной киносъемки сварочной дуги позволило установить, что переход электродно го металла на изделие, независимо от положения сварки, про­исходит в виде капель различных размеров.

В переносе расплав­ленного электродного металла участвует ряд сил.

1. Сила тяжести капли (стремление капли перемещаться сверху вниз) способствует переносу только при сварке в нижнем положе­нии, в остальных положениях она противодействует.

2. Сила поверхностного натяжения проявляется в стремлении жидкости уменьшить свою поверхность. Поверхностное натяже­ние придает капле форму шара и удерживает жидкий металл ван­ны при потолочной сварке, создавая условия хорошего формиро­вания шва.

3. Электромагнитные силы также влияют на перенос метал­ла, так как электрический ток, проходящий по электроду, соз­дает вокруг него магнитное поле, оказывающее на поверхность электрода сжимающее давление в поперечном сечении электро­да (пинч-эффект). Сила пинч-эффекта оказывает действие толь­ко на образовывающуюся жидкую каплю, а на твердую по­верхность электрода действия не оказывает. Электромагнитные силы способствуют переносу металла при всех положениях свар­ки.

4. Силы внутреннего давления газов также участвуют в пере­носе капли. Эти газы образуются в процессе химических реакций на конце электрода. Удаляясь из расплавленного металла, они вызывают бурное кипение его и отрыв от конца электрода крупных и мелких капель. В промежутке столба дуги реакция выделения газов продолжается и сопровождается взрывообразным дроблением более крупных капель, часть металла при этом вылетает за пределы жидкой ван­ны, покрывая поверхность изделия брызгами. Давление газов пе­ремещает, главным образом, расплавленную каплю металла от электрода к изделию.

Энергией дугового разряда плавится не только металл элек­трода, но и металл свариваемого изделия (основной). Участок расплавления основного и электродного металла носит назва­ние сварочной ванны.

При сварке сварочная ванна перемещается вдоль шва с оп­ределенной скоростью, равной скорости сварки. Размеры ван­ны зависят от вида сварки, режимов и физических свойств сва­риваемых материалов. При ручной дуговой сварке объем сва­рочной ванны доходит до , при автоматической под слоем флюса объем сварочной ванны составляет .

В сварочной ванне происходят следующие процессы:

а) перемешивание шлака с основным и электродным метал­лом;

б) газовая и шлаковая защита металла ванны;

в) окисление, раскисление и легирование металла ванны;

г) растворение газов в металле ванны;

д) образование пор и шлаковых включений;

е) кристаллизация металла и формирование шва.

Металл шва представляет собой сплав основного и элек­тродного металла, количества которых в среднем принимаются в следующем соотношении (табл. 15.1). В результате химический состав металла шва зависит от применяемого электродного и основного металла, вида защиты ванны, режима сварки.

Таблица 15.1 – Соотношение расплавления основного и присадочного металла при разных видах сварки

Металл	Ручная дуговая сварка, %	Автоматическая под слоем флюса, %
Основной Присадочный (электродный)	30—50 70—50	60—70 40—30

Сварное соединение можно разделить на три основные зоны, имеющие различную микроструктуру:

- зону основного металла,

- зо­ну термического влияния и

- зону наплавленного металла сварного шва.

При газовой сварке за счет более медленного нагрева зона термического влияния (околошовная зона) больше, чем при дуго­вой. Она имеет несколько структурных участков, вызванных тем­пературой нагрева в пределах 450-1500 °С и отличающихся меж­ду собой формой и строением зерна.

Зона термического влияния (рис. 15.1) состоит из следующих участков:

1 – неполного расплавления,

2 – перегрева,

3 – нор­мализации,

4 – неполной перекристаллизации,

5 – рекристалли­зации и

6 – синеломкости.

Участок неполного расплавления является переходным от на­плавленного металла к основному. Он представляет собой область основного металла, нагретого несколько выше температуры плав­ления, и находится в твердожидком состоянии. Характер этого участка определяет качество сварного соединения, так как в нем происходит сплавление кристаллов металла шва с зернами ос­новного металла.

Участок перегрева – область основного, сильно нагретого (от 1100 до 1500 °С) металла с крупнозернистым строением и пониженными механическими свойствами. Металл в этой зоне имеет структуру крупных перлитных зерен с ферритной сеткой. В сталях с большим содержанием углерода на участке перегре­ва возможно образование закалочных структур.

Участок нормализации – область основного металла, нагре­того от 930 до 1100 °С, металл при этих температурах находится сравнительно недолго и в процессе охлаждения при последующей перекристаллизации приобретает мелкозернистую структуру с наиболее высокими механическими свойствами.

Рис. 15.1 – Строение сварного соединения: 1 – зона неполного расплавления, 2 – зона перегрева, 3 – участок нор­мализации, 4 – участок неполной перекристаллизации, 5 – участок рекристалли­зации, 6 – участок синеломкости.

Участок неполной перекристаллизации – область основного металла, нагретого в пределах 720–930 °С. Этот участок характе­ризуется тем, что вокруг крупных зерен феррита, не прошедших перекристаллизацию, располагаются мелкие зерна феррита и пер­лита, образовавшиеся в результате перекристаллизации.

Участок рекристаллизации – область основного металла, нагретого в пределах 450–720 °С. Участок характеризуется восстановлением формы и размеров разрушенных зерен метал­ла, ранее подверженного обработке давлением.

Участок синеломкости, лежащий в интервале температур от 200 до 450 °С, видимых структурных изменений не получает, однако характеризуется снижением пластических свойств.

Общая протяженность околошовной зоны при газовой сварке в зависимости от толщины металла составляет примерно от 8 до 28 мм.

Для улучшения структуры и свойств металла шва и зоны термического влияния применяют горячую проковку ме­талла шва, термообработку нагревом сварочной горелкой и общую термообработку сварного изделия нагревом в печах с последующим медленным охлаждением.