ОСНОВЫ СВАРОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Основные металлургические процессы, протекающие в сва­рочной ванне

Сварочная ванна образуется в результате расплавления и пере­мешивания металла заготовок, металла электрода (и присадочного ма­териала). Сварочная ванна в своей передней части контактирует с га­зовой атмосферой дуги; в хвостовой части контактирует со слоем рас­плавленного шлака; по бокам контактирует с холодным твердым ме­таллом заготовок.

Химический состав сварочной ванны определяется составом электрода (присадочного материала) и металлом заготовок. Конечный состав шва устанавливается после протекания металлургических про­цессов в каплях расплавленного металла и в сварочной ванне. Осо­бенность протекания металлургических процессов при дуговой сварке заключается в высокой скорости их протекания и кратковременно­стью существования сварочной ванны. Металлургические процессы, протекающие в сварочной ванне условно можно разделить на три ви­да: взаимодействие расплава с газовой фазой; взаимодействие распла­ва и шлака; кристаллизация расплава.

Взаимодействие расплавленного металла с газовой фазой опре­деляется составом газовой атмосферы дуги, около дугового простран­ства и химическими свойствами элементов, содержащихся в расплав­ленном металле. Атмосфера дуги и около дугового пространства со-

держит смесь следующих газов: кислород, водород, азот, СО, СО2; па­ров: воды, металлов и шлаков. Количественное соотношение газов за­висит от вида сварки, способа защиты сварочной ванны. При высоких температурах дуги газы диссоциируют и переходят в атомарной со­стояние. При этом возрастает их химическая активность и способ­ность к растворению в расплаве металлов. Кислород, водород, азот попадают в зону дуги из: воздуха; сварочной проволоки; покрытий электродов; флюсов и защитных газов. Дополнительным их источни­ком могут служить: ржавчина, оксидные пленки, органические за­грязнения и конденсат на поверхностях заготовок.

Кислород, взаимодействуя с расплавом, окисляет металлы, об­разуя оксиды. Оксид железа растворяется в металле шва и окисляет примеси и легирующие элементы, обладающие большим химическим сродством к кислороду (кремний, марганец, титан, хром, алюминий). Полученные оксиды нерастворимы в железе, и, обычно, переходят в шлак (но, частично, они могут остаться в сварном шве в виде неме­таллических включений).

Водород хорошо растворяется в расплавленном металле, и пло­хо растворим в твердых фазах металла. Поэтому водород может быть причиной пористости сварного шва. С рядом легирующих металлов (титан, ниобий) водород вступает в химическое взаимодействие, обра­зуя гидриды.

Азот растворяется в расплавленном металле. При концентрации азота выше предела растворимости, он вступает в химическую реак­цию с легирующими элементами (титан, алюминий), образуя нитри­ды.

Взаимодействие металла с газовой фазой приводит к следую­щим последствиям: Выгоранию легкоокисляющихся легирующих элементов и снижению их содержания в сварном шве, по сравнению с содержанием в основном металле. Снижению прочностных парамет-

ров, а главное, пластических свойств, сварного шва. Образованию по­сторонних включений (твердых или газообразных) в сварном шве.

Уменьшить отрицательное влияние газовой атмосферы на свой­ства сварного шва возможно следующими способами: Созданием эф­фективной защиты дуги и сварочной ванны (покрытие электродов, флюсы, защитные газы, вакуум). Тщательной очисткой свариваемых поверхностей от окислов, жировых и т. п. пленок. Прокалкой свароч­ных материалов, осушкой защитных газов. Введением в состав сва­рочных материалов элементов - раскислителей, способных связать кислород в нерастворимые окислы (для железа - марганец, кремний, титан). Применением сварочных элементов, содержащих повышенное содержание легирующих элементов, выгорающих при сварке.

Взаимодействие расплавленного металла и шлака определяется химическим составом шлака и условиями перераспределения раство­римых соединений между контактирующими жидкими фазами.

Одна из задач электродного покрытия и флюса - раскислить ме­талл сварочной ванны, удалить из нее вредные примеси за счет связы­вания и перевода их в шлак в виде нерастворимых соединений. Сле­довательно, шлаки образуются в результате расплавления электрод­ных покрытий и флюсов и их взаимодействия с расплавом и газовой атмосферой.

При сварке сталей, в качестве раскислителей используют марга­нец, и кремний которые восстанавливают окись железа. Нераствори­мые оксиды марганца и кремния выводятся в шлак. Марганец, допол­нительно, взаимодействует с растворенной в железе серой, связывая ее в тугоплавкий сульфид марганца. Через шлак можно дополнитель­но легировать сварной шов.

Кристаллизация сварного шва начинается от границ оплавлен­ных зерен и протекает путем роста столбчатых кристаллов к центру шва. Оси кристаллов перпендикулярны к поверхности движущейся

сварочной ванны. Поэтому, кристаллы изгибаются и вытягиваются в направлении сварки.

Междендритная ликвация приводит к расположению примесей по границам кристаллов, где они могут образовывать легкоплавкие эвтектики и неметаллические включения. Это снижает механические свойства сварного шва и может привести к образованию горячих тре­щин.