СВАРКА, РЕЗКА И ПАЙКА МЕТАЛЛОВ

ПЛАВЛЕНИЕ И ПЕРЕНОС МЕТАЛЛА

Плавление электрода под действием дуги идёт равномерно и подчиняется следующей приближённой зависимости, установлен­ной опытным путем:

g = alt,

где g — количество расплавленного электродного металла;

я — коэффициент плавления, определяемый опытным путём;

I — ток в дуге; t — время горения дуги.

Количество металла чаще всего выражается в граммах, а время горения дуги в часах, тогда коэффициент плавления получает раз­мерность zta-час. Наличие подобной зависимости показывает, что плавление металла электрода идёт преимущественно за счёт энер­гии, освобождаемой в электродном пятне и пропорциональной току, влияние длины и напряжения дуги незначительно. Коэффициент плавления зависит от материала электродного стержня и обмазки, покрывающей его поверхность, а также от рода и полярности тока и колеблется в пределах от 8 до 14 г/а-час для разных элек­тродов.

При сварке на постоянном токе электрод обычно даёт лучшие результаты, если он используется на той полярности, при кото­рой плавление идёт медленнее. В процессе сварки происходят по­тери жидкого металла вследствие его окисления воздухом и через шлак, а также вследствие испарения и разбрызгивания за пределы

ванны. Все эти процессы создают так называемые потери металла на угар и разбрызгивание Дg. Приращение массы изделия в ре­зультате сварки gH или вес наплавки равняется весу расплавлен­ного электродного металла за исключением потери на угар и раз­брызгивание

gx = g - Д g.

Потери на угар и разбрызгивание характеризуются коэффици­ентом 8, который определяется в процентах по формуле:

8= £п£*. юо.

g

Величина 8 зависит от состава и количества обмазки на элек­троде и возрастает с увеличением сварочного тока, меняясь в пре­делах от 5 до 30% для обычных электродов. Грубо приближённо можно принять, что и приращение массы изделия или вес наплавки пропорциональны току и времени горения дуги.

gH == а« It.

Эта формула аналогична предыдущей; коэффициент наплавки а„ имеет ту же размерность, что и коэффициент плавления, т. е. гіа-час. Так как потери на угар и разбрызгивание колеблются в довольно широких пределах в зависимости от различных факто­ров, то коэффициент наплавки менее постоянен, чем коэффициент плавления. Несмотря на это, коэффициентами наплавки широко пользуются в различных практических расчётах. Для различных электродов коэффициент наплавки меняется в пределах от 7 до 12 г/а-час.

Непосредственным наблюдением не удаётся уловить процесс перехода расплавленного металла с электрода в ванну. Применение более мощных средств исследования, в том числе скоростной кино­съёмки с числом снимков 1000—-2000 в секунду показало, что основная часть электродного металла переходит на изделие в фор­ме капель, причём наблюдаются две формы переноса: крупнока­пельная и мелкокапельная. При крупнокапельном переносе на конце электрода образуется капля жидкого металла, которая быстро уве­личивается, затем делает быстрое движение вперёд, вытягиваясь по направлению к изделию. При этом происходит или полное замы­кание дугового промежутка мостиком жидкого металла или замет­ное его укорочение. Затем мостик жидкого металла разрывается так, что большая часть металла остаётся на изделии, меньшая на электроде, и дуга приобретает нормальную длину. Процесс повто­ряется с довольно правильной периодичностью и сопровождается переносом на изделие от 20 до 50 капель приблизительно одинако- вого размера в секунду.

Мелкокапельный перенос осуществляется потоком мелких капель жидкого металла, быстро передвигающихся от электрода к изде­лию. Крупнокапельный перенос наблюдается преимущественно при
работе на небольших токах электродами с тонкой обмазкой. С уве­личением тока и количества обмазки на электроде процесс прибли­жается к мелкокапельному. Перенос металла идёт всегда со стерж­невого электрода малых размеров к изделию больших размеров; направление переноса не зависит от рода тока и полярности по- стоянноге тока.

Наплавка металла на изделие возможна как в нижнем поло­жении, когда поверхность изделия горизонтальна и перенос ме­талла с электрода на изде­лие идёт сверху вниз в на­правлении действия силы тяжести, так и в верти­кальном или в потолочном положении (фиг. 49). При потолочном положении сварки расплавленный ме­талл должен переноситься с электрода в ванну снизу вверх против направления действия силы тяжести.

Возможность вертикаль­ной и в особенности ПОТО­ЛОЧНОЙ сварки доказывает, что процесс переноса металла в свароч­ной дуге не является простым падением капель под действием силы тяжести. Перенос металла производится совместным действием мно­гих факторов, однако общая картина настолько сложна, что до настоящего времени не имеется достаточно пол­ного теоретического объяснения.

Наряду с переносом более или менее крупных капель идёт также перенос очень мелко раздробленного расплавленного жидкого металла. Некоторое значение имеет также кон­денсация паров металла из столба дуги на поверхности ванны. Расплав­ленный металл электрода, попадая в ванну, перемешивается с расплавлен­ным основным металлом, образуя совместно с ним наплавленный ме­талл. Дутьё газов дуги оказывает механическое давление на жидкий ме­талл и отбрасывает его со дна на поверхность (фиг. 50). Отбрасыва­ние жидкого металла происходит отдельными пульсациями, и металл откладывается отдельными порциями, что придаёт поверхности на­плавленного металла известную неровность или чешуйчатость. Электроды с тонкой обмазкой дают чешуйки более крупные и грубые, электроды с качественной обмазкой дают более тонкую, иногда почти незаметную чешуйку и более гладкую поверхность металла.

При перемещении дуги равномерно по намеченной линии полу­чается полоска наплавленного металла, так называемый валик (фиг. 51). Поперечное сечение валика характеризуется глубиной расплавления h, высотой валика Н, шириной валика Ь, площадью поперечного сечения F. Технологически важными характеристиками

b * п и

являются отношениями При ручной сварке в разных случаях h

меняется в среднем в пределах от 2 до 6 мм, Н от 2 до 5 мм

и b от 5 до 25 лш. Отношения — и ~ меняются в пределах от 2

Н h

до 8.

Валик является элементом дуговой сварки металлическим элек­тродом, подобно стружке при обработке металла резанием. Как всякая обработка резанием сводится к снятию большего или меньшего количества стружки, так и сварка металлической дугой сводится к наложению на поверхность изделия известного количе­ства валиков. Наплавленный металл, образующий валик, представ­ляет собой литой металл, весьма быстро охлаждённый и затвер­девший. Быстрота охлаждения придаёт наплавленному металлу характерную дендритную структуру и не позволяет правильно сформироваться отдельным кристаллическим зёрнам. Кроме того, вследствие той же быстроты охлаждения наплавленный металл часто бывает засорён неметаллическими включениями и газовыми пузырьками.

По химическому составу наплавленный металл представляет не­что среднее между основным и электродным металлом со следую­щими характерными изменениями. Вследствие значительного пере­грева металл теряет легко испаряющиеся составные части, напри­мер марганец, в значительных размерах; металл может быть

окислен и азотирован действием атмосферного воздуха. Наблю­дается также сильное выгорание легко окисляющихся элементов, например углерода и кремния. Вредные примеси — фосфор и сера — практически не выгорают в процессе сварки и сохраняются пол­ностью.

Так как химический состав наплавленного металла часто полу­чается совершенно неудовлетворительным и неприемлемым, то не­редко приходится принимать специальные меры к улучшению со­става наплавленного металла. Наиболее частым приёмом является введение легирующих присадок в состав обмазки электродов. По­средством легирования через электродную обмазку или электрод­ный стержень специально­го состава удаётся устра­нить ухудшение химиче­ского состава металла, вы­званное процессом сварки, и восстановить его удов­летворительные механиче­ские свойства. К наплав­ленному металлу прилега­ет переходная зона, лежа­щая между наплавленным металлом и неизменён­ным основным металлом.

Эта зона называется зоной термического воздействия, зоной термического влия­ния или просто зоной влияния, образование ко­торой при сварке неизбеж­но. В зоне влияния нахо­дится основной металл, не расплавлявшийся в процессе сварки и со­хранивший практически неизменным свой химический состав, но изменивший свою структуру и механические свойства вследствие тер­мообработки, созданной процессом сварки.

Процесс нагрева и охлаждения какой-либо точки металла зоны влияния показан на фиг. 52. Сначала происходит быстрое повыше­ние температуры, а затем более замедленное, но всё же достаточно быстрое охлаждение металла, идущее главным образом за счёт от­дачи тепла в прилегающие холодные слои металла. Максимальная температура, до которой нагревается металл данной точки зоны влияния, зависит от положения этой точки. На границе расплавле­ния максимальная температура равняется температуре плавления металла. По мере удаления от границы расплавления максимально достигаемая температура понижается (фиг. 53).

Результат теплового воздействия на металл в зоне влияния за­висит от отношения данного металла к термообработке. Так, напри­мер, мало чувствительный к термообработке, технически чистый металл при сварке мало изменяет свою структуру и механические
свойства в зоне влияния. Если же металл чувствителен к термооб­работке, то его структура и механические свойства в зоне влияния могут резко изменяться. При этом могут наблюдаться как закалка с образованием твёрдых и хрупких структур, образование трещин,

так и отжиг со зна­чительным снижением пределов прочности, те­кучести и т. д. В подоб­ных случаях наиболее слабым местом сварного соединения может быть уже не наплавленный металл, а зона влия­ния, поэтому приходит­ся принимать специаль­ные меры к её улучше­нию, которые сводятся к изменению теплового режима в процессе свар­ки и последующей тер­мообработке. Могут на­блюдаться необратимые ухудшения структуры металла, не восстанав­ливаемые последующей термообработкой. Такое явление наблюдает­ся, например, у дуралюминия и некоторых специальных сталей.

Рассмотрим изменения, происходящие в зоне влияния при сварке малоуглеродистой стали. На фиг. 54 схематически изобра­жена левая начальная часть диаграммы железо — углерод и рядом изображены изменения структуры металла в зоне влияния, вызван­ные процессом сварки. У границы расплавления металл подвер­гается сильному перегреву, что вызывает значительный рост зерна и возможное образование видманштеттовой структуры. По мере удаления от границы расплавления максимальная температура и степень перегрева уменьшаются и зерно металла становится менее крупным. Далее идёт зона нормализации или измельчения зерна, в которой за время нагрева не успевает произойти сраста­ние зёрен аустенита, а при последующем охлаждении происходит выпадение мелких зёрен перлита и феррита. За этой зоной следует зона частичной нормализации с максимальной температурой между точками Ас3 и Ас, в которой успели раствориться лишь включения перлита, распавшиеся при последующем охлаждении на мелкие зёрна. Зёрна же феррита остались почти неизменёнными, так что •структура металла по охлаждении отличается неравномерностью, наличием скоплений мелких зёрен наряду с довольно крупными зёрнами. Далее следует зона, в которой температура нагрева не достигала точки Ас, поэтому и не происходило образования

7- железа, растворения перлита и измельчения зерна, но здесь шёл процесс рекристаллизации, т. е. восстановление приблизительно
равноосных зёрен из деформированных зёрен и их осколков, со­зданных процессом прокатки металла.

По мере удаления от границы расплавления явления рекристал­лизации слабеют и идёт постепенный переход в зону, где макси­мальная температура металла не превышала 500° и где невозможно установить какие-либо признаки теплового воздействия процесса сварки на металл, кроме возможного отпуска закалочных структур и некоторого снижения предела прочности. Естественно, что вслед-

ствне неоднородности структуры в зоне влияния механические свойства металла будут также неоднородны. Для разобранного случая сварки малоуглеродистой стали свойства металла в зоне нормализации могут быть лучше свойств основного неизменённого металла, поэтому эта зона иногда называется также зоной улуч­шенного металла.

В зоне перегрева с укрупнённым зерном металл иногда пока­зывает некоторое снижение пластических свойств, особенно при ударной нагрузке. Для сталей, чувствительных к термообработке, характерным является изменение твёрдости металла в зоне влия­ния. На фиг. 55 дана для примера диаграмма распределения твёр­дости зоны сварки на стали без термообработки по окончании про­цесса сварки. Повышение твёрдости обычно связано с повышением хрупкости и снижением пластичности металла. В нормальных слу­чаях в сварных изделиях не допускают твёрдости в зоне сварки выше //в=300—350.

При нарушениях нормального процесса сварки могут возникать различные дефекты в строении валика. Одним из наиболее опасных
дефектов является непровар, заключающийся в отсутствии сплав­ления между наплавленным и основным металлом. Непровар воз­никает при попадании расплавленного электродного металла на нерасплавленный основной металл. По поверхности соприкоснове­ния сохраняется тонкая окисная плёнка, разделяющая наплавлен­ный металл от основного и сни­жающая прочность сцепления между ними. Примеры непрова - ра показаны на фиг. 56. Причи­нами непровара могут быть не­правильное ведение процесса сварки, загрязнение поверхности металла, недостаточный ток и т. д. Непровар является дефек­том, трудно обнаруживаемым при последующем контроле, а поэтому совершенно не допу­скается в ответственных свар­ных изделиях.

На фиг. 57 изображён под­рез, т. е. углубление, идущее вдоль линии соприкосновения наплавленного металла с по­верхностью основного. Причи­нок подреза является чрезмерная сила тока и неправильное выпол­нение процесса сварки. Подрез легко обнаруживается при внешнем осмотре и может быть исправ­лен подваркой, поэтому подрез в небольших размерах для не­которых изделий считается до­пустимым.

Очень опасным дефектом яв­ляются трещины в наплавлен­ном металле или зоне влияния.

Эта опасность увеличивается тем, что при работе изделия тре­щины часто увеличиваются в размерах, что приводит к пол­ному разрушению изделия. Кроме того, трещины довольно часто не выходят на поверхность изделия и поэтому трудно обнаружи­ваются.

Причинами образования трещин являются отступление от нор­мы в химическом составе основного и электродного металла, непра­вильное ведение процесса сварки, неудачная конструкция изделия. Повышение содержания в стали серы, фосфора и, в особенности, углерода сверх установленных норм опасно в отношении образова­ния трещин. Важное значение имеет не только среднее содержание серы, но и равномерность её распределения по объёму металла. При часто наблюдающейся ликвации серы, образующей местные
скопления в виде прослоек, возникновение трещин может наблю­даться и при среднем содержании серы, не превышающем установ­ленных норм. Образованию трещин способствует увеличение сва-

Фиг. 57. Подрез.

рочного тока и объёма жидкой ванны. Трещины возникают при слишком жёстких конструкциях изделия и неправильной последо­вательности сварки. На образование трещин существенно влияет способ производства основного металла.

Для ответственных изделий рекомен­дуется мартеновская успокоенная сталь.

Кипящая сталь, как правило, даёт худ­шие результаты. В ответственных изде­лиях трещины совершенно не допуска­ются. Часто наблюдаемые газовые пузыри возникают вследствие интенсив­ных реакций газообразования в объёме металла и большой скорости его затвер­девания, не позволяющей пузырькам газа подняться на поверхность ванны.

Для стали главным источником газооб­разования в большинстве случаев яв^ ляется реакция выгорания углерода за счёт окислов, растворённых в ванне, с образованием окиси углерода, практиче­ски не растворимой в металле, например FeO + C = Fe + CO.

Помимо пузырьков газа в металле могут застревать также включения окис­лов и шлаков, не успевших всплыть на поверхность металла. Засорение метал­ла неметаллическими включениями и га­зовыми пузырьками в значительной степени зависит от скорости затвердевания жидкой ванны. Если эта скорость велика, например, при сварке электродами с тонкой обмазкой, то количество включе­ний очень велико. При качественных электродах, дающих много шлака, ванна находится дольше в жидком состоянии, успевает не-
сколько отстояться и неметаллические включения имеют время всплыть на поверхность металла. Как правило, наплавленный ме­талл прн качественных электродах достаточно чист и мало засорён неметаллическими включениями. Для сравнения на фиг. 58 приве­дены рентгенограммы валиков, наплавленных электродами с тон­кой и с качественной обмазкой. Неметаллические включения и га­зовые пузырьки в небольших размерах, определяемых соответ­ствующими техническими условиями, иногда считаются допусти­мыми.