Металлургические процессы при ручной электродуговой сварке

Для металлургических процессов при сварке характерны высокие температуры на отдельных участках дуги, кратковременность пребывания металла в жидком состоянии и быстрое изменение температурного режима. Расплавленный металл электрода или присадочной проволоки переходит в сварочную ванну в виде небольших капель, которые взаимодействуют с газовой фазой и жидким шлаком. Расплавленный слой шлака образуется при плавлении электродного покрытия и защищает металл капли и сварочной ванны от воздействия окружающего воздуха, раскисляет и легирует металл сварочной ванны, в шлаке растворяются вредные примеси. В процессе плавления электродного покрытия наряду с образованием слоя расплавленного шлака выделяются газы, возникающие при разложении газообразующих компонентов покрытия. Реакции между газообразными веществами и жидким металлом протекают быстрее, чем со шлаком, поэтому действие газовой защиты более интенсивное. Расплавленный металл сварочной ванны взаимодействует также с окружающим ее основным металлом. Поэтому химический состав наплавленного металла может существенно отличаться от химического состава электродов или присадочной проволоки, а металл зоны термического влияния — от исходного состояния основного металла.

2. Схема структуры металла околошовной зоны сварного соединения по участкам

1 — неполного расплавления; 2 — перегрева; 3 — нормализации; 4 — неполной перекристаллизации; 5 — рекристаллизации

При сварке в инертных газах (аргон, гелий) металлургические процессы протекают только между элементами, содержащимися в металле сварочной ванны, так как инертные газы не взаимодействуют с газовыми составляющими столба дуги. Для предотвращения появления пор при сварке в инертных газах в сварочную ванну вводят активные раскислители (марганец, кремний и др.) и добавляют в аргон 10—15 % углекислого   газа   или  5%   кислорода.

По мере продвижения дуги в процессе сварки жидкий металл вытесняется из головной части расплавленной зоны и отбрасывается в ее хвостовую часть. В хвостовой части по мере удаления источника теплоты происходит интенсивный отвод тепла в массу холодного металла и по границам расплавления образуются общие кристаллиты основного и наплавленного металла. Закристаллизовавшийся металл однопроходного шва имеет столбчатое строение, что обусловлено более быстрым ростом кристаллита в направлении, перпендикулярном границе сплавления, чем в любом другом направлении. При многослойной сварке сварные швы имеют транскристаллическую структуру, характеризующуюся тем, что кристаллиты как бы прорастают из слоя в слой.

На свойства сварного соединения наряду с химическим свойством металла шва значительное влияние оказывает структура металла шва и околошовной зоны. В зависимости от химического состава и скорости охлаждения структура металла шва может быть самой разнообразной. Сварной шов, выполненный тонкопокрытыми электродами, имеет мелкозернистую структуру. В структуре преобладает феррит и перлит. При сварке толстопокрытыми электродами в связи с меньшей скоростью охлаждения металл шва имеет более крупнозернистую столбчатую структуру, состоящую из зерен феррита и перлита. Структура сварного шва заданного химического состава определяется условиями охлаждения, влияющими на процессы вторичной кристаллизации и на диффузионные процессы. Участок основного металла, нагреваемый при сварке до температуры, при которой в нем происходит изменение структуры металла, называется околошовной зоной или зоной термического влияния (рис. 2).