Чтобы сварное соединение получилось качественным, необходимо прибегать к различным технологическим приемам, об одном из которых уже упоминалось ранее (о введении легирующих компонентов).
Помимо свойств основного металла, для свариваемости имеют значение и другие факторы, а именно:
✓ вид защитного газа (например, для углеродистой стали азот в качестве газовой среды не подходит, поскольку он растворится в металле и вызовет его старение; для меди и цинка такая среда, напротив, благоприятна, так как азот практически не растворяется в легкоплавких металлах).
Для определения свариваемости металлов и сплавов разработано более 150 способов.
Металлургия сварки
Процессы расплавления и затвердевания металла, в ходе которых его химический состав претерпевает изменения, а кристаллическая решетка – трансформацию, называются металлургическими. Сварка также относится к ним, но по сравнению с другими подобными процессами имеет ряд особенностей, поскольку:
✓ осуществляется при значительной температуре нагрева. Благодаря этому повышается скорость плавления всех составляющих процесса – основного и электродного металла, электродного покрытия и флюса. Это сопровождается испарением, окислением и разбрызгиванием веществ, которые принимают участие в протекающих в сварочной ванне химических реакциях. Кроме того, при высокой температуре дуги молекулы азота, водорода и кислорода частично диссоциируются (так называется процесс, при котором молекулы расщепляются на более простые составные частицы – молекулы, атомы и др.). Данные элементы (газы), будучи в атомарном состоянии, становятся химически более активными, поэтому интенсифицируются процессы их окисления, насыщения металла азотом и поглощения водорода, что выделяет сварку среди других металлургических процессов. При высокой температуре имеющиеся примеси выгорают, что в конечном итоге отражается на химическом составе свариваемого металла (он изменяется);
✓ течет с высокой скоростью. Это относится как к нагреванию, так и к охлаждению, что, естественно, сказывается на процессе крис таллизации и может приводить к появлению каких-либо дефектов (на при мер, к формированию закалочных структур, трещинообразованию и др.);
✓ отличается минимальными объемами нагретого и расплавленного металла. Объем сварочной ванны при ручной сварке составляет 0,5–1,5 см3 (при автоматической он больше – 24–300 см3);
✓ характеризуется быстрым отводом тепла от расплавленного металла сварочной ванны в близлежащие участки основного металла, находящегося в твердом состоянии, что наряду с малыми объемами расплавленного металла приводит к кратковременности химических реакций, которые протекают при высокой температуре процесса, следствием чего может быть их незавершенность, что, в свою очередь, отражается на структуре металла шва, который образуется по окончании сварки, и основного металла околошовной зоны (зоны термического влияния). Результатом этого может быть ослабление сварного шва.
К другим особенностям сварки относится то, что в зоне соединения происходит активное воздействие газов и шлаков на расплавленный металл. Кроме того, может применяться присадочный материал, необходимый для формирования металла шва, причем не исключаются значительные различия между химическим составом присадок и основного металла.
Таким образом, при сварке за небольшой промежуток времени наблюдаются сложные процессы, во время которых разные химические элементы взаимодействуют друг с другом. Рассмотрим эти явления, чтобы лучше представлять себе, что стоит за сварочными процессами.
Наиболее важен процесс кристаллизации металла шва. Во время сварки вместе с перемещением дуги передвигается и сварочная ванна, а расплавленный металл, оставшийся в ее тылу, постепенно охлаждается и затвердевает. Так образуется сварной шов. Величина и протяженность сварочной ванны определяются различными факторами, в частности типом источника тепла, его мощностью, режимом сварки, характеристиками металла, подвергающегося сварке, и др. Первыми кристаллизуются частично сплавленные зерна основного металла, находящегося на границе расплавления, к решетке которых прикрепляются атомы кристаллизующейся фазы. По окончании затвердения в зоне расплавления формируются зерна, которые состоят из основного металла и металла сварного шва, благодаря чему и обеспечивается соединение, т. е. непрерывная металлическая связь «основной металл – шов – основной металл».
Для процесса кристаллизации характерна высокая скорость, поскольку интенсивный нагрев сварочной дугой сменяется таким же энергичным отводом тепла в свариваемое изделие. Металл сварного шва может за секунду остывать на десятки или даже сотни градусов.
Изучение кристаллизации сварного шва методами металлографии показывает, что в различных его частях формируются кристаллы разного размера: в верхних – более крупные, а в нижних – более мелкие.
Кристаллы в зависимости от своего месторасположения различаются и формой: в средней зоне они имеют транскристаллитное строение, т. е. удлиненную форму, а в верхней – дендритное строение, т. е. ветвистую форму.
Кристаллизация как процесс протекает неравномерно, поскольку периодически изменяется теплообмен и т. д. В результате этого сварной шов неоднороден, в нем четко выделяется слоистая структура. Кристаллизационные слои, в свою очередь, состоят из трех участков:
✓ нижнего, содержащего незначительное количество серы, фосфора и углерода. Этот участок, отличающийся наиболее выраженным почернением при травлении, образуется в процессе кристаллизации тонкого слоя жидкого металла, прилегающего к оплавленной поверхности, в который названные элементы проникли из соседних участков основного металла;
✓ среднего, в котором содержится примерно такое же количество серы, фосфора и углерода, как и в металле шва. Он кристаллизуется из расплавленного металла исходного состава, бывает самым широким и характеризуется достаточно однородным почернением при травлении;
✓ верхнего, содержащего наименьшее количество серы, углерода и фосфора и дающего ослабленное почернение при травлении.
Последующие кристаллизационные слои формируются таким же образом.
Не менее важное явление, которое сопровождает процесс сварки, – это диссоциация газов, при которой молекулы газа переходят в атомарное состояние (H2 → 2H, O2 → 2O, N2 → 2N). При этом активность атомов кислорода, водорода и азота значительно возрастает, они легче растворяются в расплавленном металле, увеличивая его хрупкость, уменьшая пластичность и т. д.
Разложению подвергаются молекулы и других веществ, например плавиковый шпат, имеющийся в составе электродных покрытий, под воздействием высокой температуры распадается на фтористый кальций и свободный фтор (CaF2 → CaF + F), причем последний при достижении температуры 6000 °C активно диссоциируется. Наряду с минусами, которые несет свободный фтор (в его присутствии условия горения сварочной дуги изменяются в худшую сторону), есть и положительный момент: он образует с водородом устойчивое соединение, т. е. риск образования газовых пор снижается, что улучшает свойства металла шва.
