3. Формирование химического состава металла вблизи границы сплавления

Рассмотренное выше формирование состава металла шва или отдельных его слоев (валиков) дает только усредненные значения. Условия перемешивания основного и наплавленного металла в сварочной ванне в целом достаточно хорошие, и это приводит к хорошему усреднению состава жидкого металла за время суще­ствования ванны. Поэтому средние части объема ме­талла каждого отдельного валика однопроходного шва получаются по своему химическому составу до­статочно равномерными, даже в тех случаях, когда расплавленные основной и наплавляемый металлы имеют весьма различные составы. Однако вблизи границы сплавле­ния, где образуется гранич­ный слой жидкости с за­медленным движением, пе­ремешивание расплавлен­ного основного металла и наплавленного полностью

происходить не успевает, чему дополнительно способствует и малое время существования жид­кого металла в этой части ванны. В связи с этим в некоторой зоне (обычно в пределах около 5% глубины или полуширины ванны), вследствие недостаточного перемешивания, состав металла оказы­вается не таким, как в средних частях ванны, а по легирующим, неликвирующим примесям — промежуточным между централь­ными объемами ванны и основным металлом. Чем больше раз­личие составов основного металла и металла шва, тем более неравномерным будет в этой переходной зоне и состав металла шва вблизи границы сплавления.

На этом же участке металла шва в резуль­тате прерывистости процесса кристаллизации имеет место весьма неравномерное распределение ликвирующих примесей, таких как S и Р, с их на­коплением в слоях, неравномерно расположенных по отношению к границе сплавления.

В процессе сварки сплавов зона сплавления находится в двух­фазном твердо-жидком состоянии. Ширина этой зоны зависит от интервала кристаллизации (разности температур ликвидус — солидус) и градиента температур в направлении, перпендикуляр­ном этой зоне.

Температурный интервал ликвидус—солидус у различных сплавов изменяется в широких пределах. У углеродистых сталей, содержащих —0,2% углерода, он около 30°С, а у сталей с 0,5% углерода — около 100° С.

Градиент температур у границы сплавления для обычных спо­собов сварки сталей в основном находится в пределах 350— 80°С/мм (3500—800° С/см). При электронно-лучевой сварке этот градиент еще больше и может составлять до 600° С!мм.

Пользуясь этими значениями, можно оценить ширину зоны твердо-жидкого состояния при сварке вблизи границы сплавле­ния. Так, для малоуглеродистой стали (ок. 0,2% С) при дуговой сварке она 0,11 мм, а при газовой 0,25 мм. Как мы видим, ширина этой зоны может быть достаточно заметной.

В какой-то степени некоторые элементы из металла сварочной ванны за счет диффузии проникают и в околошовную зону, в нерасплавлявшийся при сварке металл. Большинство легирующих элементов (например, Сг, Ni, Nb, Mn и др.) имеют более или менее заметные значения коэффициентов диффузии в железе (порядка 10^-7 - 10^-9 см²/сек) только при температурах выше 1200—1300° С. Поэтому при охлаждении металла околошовных зон ниже этих температур, их проникновение в твер­дый металл обычно ограничивается зоной 0,001—0,003 см (0,01— 0,03 мм).

Сильнее диффундирует углерод. Диффузия углерода начинается при температуре 425°С и интенсивность диффузии возрастает с увеличением температуры. Поэтому при различных способах сварки углерода успевает продиффундировать в металл ОШЗ на глубину 0,3%.

Одним из наиболее диффузионно подвижных элементов яв­ляется водород. Он особенно заметно диффундирует при высоких температурах; однако его заметная диффузия в Fe_α наблюдается и при комнатных температурах. Даже при достаточно жестких режимах дуговой сварки к моменту охлаждения металла зоны термического влияния до комнатных температур водород успе­вает продиффундировать из шва в основной металл примерно на 1,5 мм. В дальнейшем и при обычной температуре он продолжает поступать из перенасыщенных водородом швов в околошовную зону, распространяясь далее в основной металл.

Таким образом, в зависимости от состава металла шва (а сле­довательно, от состава сварочных материалов, регулирующих состав сварочной ванны и шва) изменяется композиция металла и околошовных зон вблизи границы сплавления и его свойства. В наибольшем объеме металла вблизи границы сплавления и даже в зоне термического влияния может происходить изменение кон­центрации водорода, вызывающего во многих металлах и сплавах хрупкость.

В ряде случаев для дуговой сварки углеродистых и низколе­гированных сталей применяются сварочные материалы, дающие швы с аустенитной структурой. Этот прием используется, напри­мер, в комбинированных сварных соединениях «аустенитная сталь — перлитная сталь» или при сварке закаливающихся ста­лей, для исключения подогрева. В таких сварных соединениях при переходе от аустенитного металла шва к нелегировапному или низколегированному всегда имеет место зона шва с заметно пере­менным составом. Естественно, что среди получающихся переменных составов вблизи границы сплавления могут образовываться некоторые объемы металла с не­благоприятными свойствами, лимитирующими работоспособность всего соединения.

Как показал ряд исследований, такие хрупкие прослойки в металле швов, если они имеют достаточную ширину, сильно снижают работоспособность сварных соединений. При уменьшении их ширины и для хромоникелевых, и для марганцо­вистых высоколегированных швов работоспособность сварных соединений повышается. Это дает возможность регулировать свойства таких зон в сварном соединении выбором состава ме­талла шва, т. е., по существу, выбором сварочных материалов.

Если имеется возможность без ущерба для свойств металла шва увеличить степень легирования элементом X в наплавленном металле (т. е. принять сварочные материалы, обеспечивающие большее значение [Х]_нм, а следовательно, при определенном спо­собе и режиме сварки и Х_мш), то соответственным выбором свароч­ных материалов может быть обеспечена более высокая работоспо­собность и этой особой зоны сварных соединений вблизи границы сплавления.

Такое решение в ряде случаев возможно. Так, например, механические свойства металла шва с примерно одинаковым содержа­нием хрома (15—18%), но различном содержанием никеля (10— 30%) практически одинаковы, а свойства металла вблизи зоны сплавления при большей концентрации никеля заметно лучше. Подобно этому в марганцовистых аустенитных швах повышение содержания марганца с 17 до ~30% практически не влияет на механические свойства металла шва, но заметно улучшает рабо­тоспособность металла вблизи зоны сплавления.

В некоторых случаях отмечается и несколько иной характер влияния состава металла шва на свойства металла зоны сплавления.

Таким образом, применение различных сварочных материалов приводит к изменению состава металла сварочной ванны и свар­ного шва и влияет на состав и свойства металла в зоне сплавления, улучшая или ухудшая их. Поэтому правильный выбор сварочных материалов оказывает положительное воздействие не только на свойства металла шва, но и зоны сплавления.