Образование сварочной ванны, формирование н кристаллизация металла шва

При сварке плавлением доводятся до жидкого состояния кромки соединяемых элементов и дополнительный металл. При сварке без дополнительного металла расплавляется только основной металл. Плавление происходит в зоне сварки — плавильном пространстве. Расплавленные основной и дополнительный металлы, сливаясь, образуют общую сварочную ванну, находящуюся в состоянии непрерывного движения и перемешивания. Границами ванны служат оплавленные участки основного металла и ранее образовавшегося шва. Механизм переноса электродного металла в сварочную ванну рассмотрен выше.

В процессе сварки источник теплоты перемещается вдоль соединяемых кромок, а вместе с ним движутся плавильное пространство и сварочная ванна. При сварке под флюсом сварочная ванна окружена оболочкой (пузырем) из расплавленного флюса-шлака, который полностью закрывает ореол дуги, делая его невидимым Для глаз. При сварке с газовой защитой сварочная ванна окружена прозрачной оболочкой из газа, а при применении покрытых электродов сварочная ванна защищена шлаком и газом. В обоих случаях ореол дуги хорошо виден. При электрошлаковой сварке и дуговой сварке под флюсом вертикальных швов сварочная ванна изолирована от окружающего воздуха слоем шлака, расположенным над ее поверхностью.

При дуговой сварке плавильное пространство можно условно разделить на два участка (рис. 2-33): головной, где происходит плавление основного и дополнительного металлов, и хвостовой, где располагается сварочная ванна и начинается ее кристаллизация. Форма сварочной ванны при дуговых процессах в этом случае характеризуется ее длиной, шириной, толщиной и глубиной проплавления основного металла (рис. 2-34). Она ограничивается изотермической поверхностью, имеющей температуру плавления основного металла.

Объем сварочной ванны в зависимости от способа и режима сварки изменяется от 0,1 до 10 см3. В плане сварочная ванна имеет1 эллипсовидное вытянутое вдоль направления сварки очертание (рис. 2-35). В поперечном сечении в зависимости от режима и условий сварки форма сварочной ванны изменяется в широких пределах. Наиболее характерной для дуговой сварки является форма провара, приближающаяся к полуокружности. При лучевых способах сварки форма ванны напоминает острый клин-кинжал.

Время пребывания металла сварочной ванны в жидком состоянии для различных ее участков неодинаково. Приближенно среднюю продолжительность существования сварочной ванны tCh (с) можно определять из зависимости

Для сварочной ванны при дуговом процессе характерно неравномерное распределение температуры (рис. 2-36). В головной части ванны, где под воздействием источника теплоты происходит плавление металла и наиболее интенсивно протекает взаимодействие металла со шлаком и газами, металл нагрет значительно выше температуры его плавления. В хвостовой части ванны температура приближается к температуре плавления основного металла. Средняя температура сварочной ванны при сварке под флюсом конструкционных низкоуглеродистых сталей составляет около 1800° С. Максимальная температура для этих условий достигает 2300° С.

Столб дуги, расположенный в головной части сварочной ванны, оказывает механическое воздействие — давление на поверхность расплавленного основного металла. Это давление является результатом совместного действия упругого удара заряженных частиц о поверхность металла, давления газов, находящихся в дуговом промежутке, и дутья дуги, обусловленного электродинамическими усилиями. Такой направленный поток наблюдается только при несимметричной дуге, т. е. дуге, горящей между электродами малого и большого сечений, в нашем случае между электродом или сварочной проволокой и основным металлом.

Давление приводит к вытеснению жидкого металла из-под основания дуги и к погружению столба дуги в толщу основного металла, что обусловливает увеличение глубины проплавления. Давление, оказываемое дугой на поверхность металла, пропорционально квадрату тока, протекающего в дуге. Давление может быть повышено за счет увеличения концентрации источника нагрева, например путем повышения плотности тока в электроде, применения флюса или тугоплавкого покрытия, образующего втулочку на конце электрода (сварка электродами для глубокого провара). Очевидно, что чем больше давление, оказываемое дугой на поверхность расплавленного металла, тем больше глубина погружения столба дуги в его толщу. Для понижения давления применяют сварку наклонным электродом углом вперед, сварку несколькими дугами и другие приемы.

Жидкий металл, вытесненный из-под основания дуги действующими на поверхность сварочной ванны силами, по мере передвижения дуги отбрасывается в хвостовую часть плавильного пространства. При плотности тока в электроде до 15 А/мм2 это перемещение невелико и проявляется в образовании не заполненного металлом углубления —  кратера. При повышенных плотностях тока в электроде наблюдается достаточно заметное перемещение металла сварочной ванны вплоть до полного удаления жидкого металла из головного участка. Этим обусловливается различие уровней жидкого металла в головной и хвостовой части плавильного пространства (рис. 2-37). Для поддержания такой разности уровней должно существовать равенство между давлением дуги Рд и гидростатическим давлением жидкого металла и шлака Рг. Если Рд < Рг, то металл и шлак заполняют образовавшееся углубление, что имеет место в конце процесса сварки. Если Рд > Рг, то нарушается нормальное формирование шва.

После перемещения расплавленного металла в головной части плавильного пространства остается углубление — канавка. Поверхность ее покрыта тонкой пленкой жидкого металла, удерживаемой силами поверхностного натяжения- По мере передвижения дуги перемещающийся из последующего головного участка жидкий металл заполняет канавку. При этом происходит взаимное слияние поступившего металла с жидкой пленкой и дополнительное оплавление основного металла за счет теплоты, накопленной в перегретой сварочной ванне. При удалении источника нагрева в хвостовой части плавильного пространства начинает преобладать отвод теплоты в массу холодного металла над притоком теплоты и начинается затвердевание — кристаллизация сварочной ванны. В процессе затвердевания по границе расплавления образуются общие кристаллиты, что и обеспечивает монолитность соединения.

При электрошлаковом процессе сварочная ванна в плане преимущественно имеет прямоугольное или близкое к прямоугольному очертание с постоянной шириной. Такая форма ванны определяется возвратно-поступательным перемещением электрода (электродов) и наличием над поверхностью ванны значительного количества жидкого перегретого шлака. Объем металлической ванны достигает в этом случае 80 см3 и более. Форма ванны в поперечном сечении приближается к полуокружности или полуэллипсу.

Переход металла сварочной ванны из жидкого состояния в твердое называют первичной кристаллизацией. Процесс первичной кристаллизации заканчивается образованием столбчатых кристаллитов Структуру металла шва, сформировавшуюся в результате первичной кристаллизации, именуют первичной.

При затвердевании металла в нем развиваются диффузионные процессы, стремящиеся выравнять состав различных участков образовавшихся кристаллитов. Однако из-за значительной скорости остывания металла и медленного протекания процессов диффузии в твердых растворах не происходит полного выравнивания состава металла шва. Это определяет наличие зональной ликвации, т. е. неравномерного распределения элементов по сечению металла шва и внутридендритной неоднородности, заключающейся в неравномерном распределении элементов в пределах отдельных кристаллитов. Характер и степень микроскопической неоднородности оказывают существенное влияние на стойкость металла шва против образования трещин и на его механические свойства.

Преимущественное развитие в сварных швах получает внутри-дендритная химическая неоднородность. Зональная ликвация проявляется в значительно меньшей степени в виде небольшого обогащения серой и некоторыми другими элементами поверхности шва при широкой форме провара (рис. 2-38, б) или по его оси при узкой форме провара (рис. 2-38, а). Степень дендритной и зональной ликвации в значительной мере зависит от условий остывания (кристаллизации) металла шва и его химического состава.

Степень внутридендритной химической неоднородности связана со скоростью остывания сварочной ванны сложной зависимостью. Однако изменения скорости остывания металла сварочной ванны в пределах, характерных для кристаллизации реальных швов, не влияют на степень ликвации.

Значительное влияние на качество сварного соединения оказывают диффузионные процессы, протекающие в зоне сплавления. Здесь, вследствие различной растворимости элементов в жидкой и твердой фазах, возникает существенная разница в химическом составе пограничного участка основного металла и прилегающего к нему участка металла шва.

В ряде случаев наблюдаются значительные изменения химического состава по длине шва и на отдельных его участках (макроскопическая неоднородность). Эти изменения обычно связаны с колебаниями режима сварки, изменениями состава сварочных материалов и другими технологическими причинами.

В металле сварных швов наблюдается также физическая неоднородность, связанная с возникновением вторичных, так называемых полигонизационных границ, проходящих по участкам, где сосредоточены несовершенства кристаллической решетки. Физическая неоднородность оказывает заметное влияние на стойкость сварного шва против перехода в хрупкое состояние, против межкристаллитной коррозии и на другие свойства.

Первичная кристаллизация сварочной ванны при всех видах дуговой сварки начинается от частично оплавленных зерен основного металла или столбчатых кристаллитов предыдущего слоя (при многопроходной сварке), являющихся готовыми центрами кристаллизации. Видимая граница между металлами исчезает. Условную поверхность раздела между зернами основного металла и кристаллитами шва именуют границей шва или границей сплавления (рис. 2-39).

При сварке аустенитных сталей величина столбчатых кристаллитов в большинстве случаев совпадает с величиной зерна основного металла. При сварке других металлов и сплавов эта закономерность выражена не столь четко.

Процесс первичной кристаллизации металла шва при электрошлаковой сварке не имеет принципиальных отличий от кристаллизации многослойных швов, полученных дуговой сваркой с небольшим перерывом между выполнением слоев. Только в примыкающих к ползунам участках металлической ванны кристаллиты растут перпендикулярно к поверхности охлаждения, прорастая на 10—20 мм в глубь шва. Наличие дополнительных охлаждаемых поверхностей при сварке металла толщиной до 30 мм приводит к радиально-осевой направленности кристаллитов (рис. 2-40). С увеличением толщины свариваемого металла свыше 50 мм кристаллизация основной части шва приобретает обычный характер, и только у ползунов наблюдается специфическая направленность роста кристаллитов (рис. 2-41).

Первичная кристаллизация металла сварочной ванны, так же как кристаллизация слитков и отливок, носит прерывистый характер. Швы, выполненные сваркой плавлением, имеют слоистое строение (рис. 2-42). Толщина кристаллизационного слоя при дуговой сварке обычно составляет десятые доли миллиметра. При электрошлаковой сварке слой имеет большую толщину и выявляется более четко.

Слоистое строение металла шва, вероятно, обусловлено совместным действием ряда причин, к которым относятся выделение скрытой теплоты кристаллизации металла сварочной ванны, волнообразное поступление металла в хвостовую часть плавильного пространства, наблюдаемые в реальных условиях колебания режима сварки и другие факторы.

Прерывистость характера первичной кристаллизации сварочной ванны влияет еще на один вид ликвации в металле шва, а именно слоистую неоднородность. Кристаллизационный слой состоит из трех характерных участков. Нижний участок обогащен, а верхний обеднен ликвирующими примесями по сравнению со средним участком.

Металл швов, выполненных сваркой плавлением, имеет столбчатое строение (рис. 2-43). Столбчатые кристаллиты отличаются сравнительно крупными размерами и легко различимы при изучении макроструктуры. В зависимости от способа и режима сварки размеры столбчатых кристаллитов изменяются в достаточно широких пределах. Так, при дуговой сварке их размер обычно равен 0,3—3 мм в поперечнике. Для электрошлаковой сварки характерны значительный объем сварочной ванны и длительное пребывание расплавленного металла при высоких температурах. Соответственно этому размер столбчатых кристаллитов достигает 3—7 мм в поперечнике. Рост кристаллитов происходит нормально к криволинейной поверхности раздела основного металла и металла сварочной ванны, а при многопроходной сварке — к границе

раздела между металлом ранее закристаллизовавшегося слоя и металлом кристаллизующегося слоя.

При дуговой однослойной сварке столбчатые кристаллиты прорастают через кристаллизационные слои, не изменяя своего направления. При многопроходной сварке рост кристаллитов последующего слоя начинается от частично оплавленных кристаллитов предыдущего. Направления кристаллитов отдельных слоев, как правило, не совпадают, так как конфигурация слоев различна (рис. 2-44).

Столбчатый кристаллит представляет собой группу неполногранных дендритов. У границы сплавления дендриты, как правило, имеют только стволы и малоразвитые ветви первого порядка. По мере удаления от границы сплавления дендриты разветвляются, выбрасывая ветви второго и третьего порядков.

При электрошлаковой сварке в зависимости от ее режима, химического состава и толщины свариваемого металла наблюдается четыре типа макростроения металла шва. Первый тип макростроения характерен наличием трех участков (рис. 2-45, а). У границы сплавления и у ползунов располагается участок толстых столбчатых кристаллитов. Каждый такой кристаллит является колонией дендритов, имеющих стволы и слабовыраженные оси первого порядка (рис. 2-46, а). На некотором расстоянии от границы сплавления толстые столбчатые кристаллиты переходят в более тонкие кристаллиты, представляющие собой колонии развитых имеющих оси второго и третьего порядка Дендритов (рис. 2-46, б).

Прорастая в глубь шва, они доходят до участка равноосных кристаллитов, занимающего полосу шириной 0,5—10 мм по оси шва Равноосные кристаллиты имеют дендритное, значительно разветвленное строение

Второй тип строения наблюдается наиболее часто и характеризуется наличием только участка толстых и тонких столбчатых кристаллитов (см рис 2-45,6) При третьем типе строения имеется только участок тонких столбчатых кристаллитов, прорастающих от границы сплавления до оси шва (аналогично строению швов при дуговой сварке). Четвертый тип строения характеризуется наличием лишь участков толстых столбчатых кристаллитов Во всех случаях металл участка толстых кристаллитов обладает более высокой однородностью и плотностью, чем металл других участков

Образование кристаллизационных трещин наблюдается в осйовнбм на участке тонких столбчатых кристаллитов.

Измельчение первичной столбчатой структуры и уменьшение микрохимической неоднородности металла шва принципиально возможны путем применения специальных элементов модификаторов, возбуждения в сварочной ванне ультразвуковых или механических колебаний и увеличения скорости остывания сварочной ванны. Однако использование указанных методов сложно и поэтому не находит широкого применения (см. гл 10) Швы, выполненные электроннолучевой и лазерной сваркой, также имеют литую структуру.

Для металлов и сплавов, претерпевающих при охлаждении аллотропические превращения (сплавы железа с углеродом и другие технические сплавы), первичная структура сохраняется до температуры аллотропического превращения. Для сплавов на основе железа аллотропические превращения проявляются в переходе Y-железа в а-железо. Переход металла шва из одного аллотропического состояния в другое, происходящий в твердом состоянии,- называется вторичной кристаллизацией Структура металла шва, возникающая в результате вторичной кристаллизации, называется вторичной структурой. Характер вторичной микроструктуры зависит от химического состава металла шва, термического цикла и других причин.