Металлургические процессы при сварке. Пути повышения качества сварных соединений

Сварка называется качественной, если механические характеристики металла шва и свариваемых деталей близки.В процессе сварки металл и легирующие элементы могут выгорать, могут появиться поры, что негативно влияет на качество шва.Особенности металлургии сварки: высокая скорость протекания процессов, малый объём расплавленного металла, высокие скорости охлаждения, что зачастую приводит к неполному протеканию физических реакций, процессы сварки протекают в атмосферных условиях. Металлургические процессы - это физ-хим процессы, протекающие при высоких температурах.Установлено, что наиболее вредными факторами, которые особенно плохо влияют на качество шва, являются: атмосфера, в т. ч. кислород, водород, азот, сера и фосфор. Источники поступления этих веществ в сварку: атмосфера, загрязнения на поверхности свариваемых деталей виде окислов, нитритов.

Ведется борьба с этими элементами при сварке: 1.Применяют осаждающее раскисление (в металл шва вводят легирующие элементы, у которых сродство с кислородом больше, чем у свариваемого метала; эти эл-ты восстанавливают железо из окислов, сами окисляясь, затем всплывают на поверхность ванны, т. к. их плотность меньше плотности свариваемого металла, тем самым удаляя кислород из сварочной ванны.2.Диффузионное раскисление заключается в том, что между основными оксидами и кислыми оксидами протекает реакция, в результате чего образуются силикаты, которые всплывают на поверхность сварочной ванны.3.Для борьбы с водородом удаляют воду при сварке(спиртом, электрохимически, механически, прокаливают, нагревают перед сваркой)5.Для защиты от азота применяют защитные среды (сварка в активных газах).6.Применяют сварку под слоем флюса (это многокомпонентное в-во, в которое входят газообразующие компоненты, которые распадаются при высоких температурах и оттесняют атмосферу). Аналогично применяют электроды с обмазкой.7.Применяют сварку в вакууме.Для восполнения легирующих элементов в состав флюсов и обмазок вводят легирующие элементы: углерод(повышает прочность), марганец (раскислитель, повышает прочность и ударную вязкость), кремний (раскислитель, повышает прочность и уменьшает величину зерна металла шва), также вводятся хром, никель и ванадий

5. Кристаллизация сварочной ванны. Кристаллизация - это процесс образования зерен (кристаллитов) металла при его охлаждении. Кристаллитом называют кристалл неправильной формы. Возникновение и рост кристаллитов при переходе металла из жидкого состояния в твердое называют первичной кристаллизацией. Преобразование первичных кристаллитов при охлаждении затвердевшего металла, структурные превращения в нем, называют вторичной кристаллизацией.

Сварочная ванна Объем расплавленного металла, образующийся при сварке плавлением под воздействием источника тепла, называют сварочной ванной. Различают сварочную ванну первого типа, образующуюся, например, при дуговой или газопламенной сварке, и второго типа, образующуюся при электрошлаковой сварке. Рассмотрим подробнее сварочную ванну первого типа, поскольку она встречается чаще (рис. 1).

Рис. 1. Схема образования шва при дуговой сварке:
1 - линия (зона) сплавления; 2 - частично оплавленные зерна основного металла; 3 - столбчатые кристаллиты; 4 - кристаллизационные слои; 5 - автономные неориентированные кристаллиты; S - толщина свариваемой кромки; h - глубина проплавления; е - ширина шва; q - высота усиления шва

Рис. 2. Схема кристаллизации металла в сварочной ванне

Процесс повторяется. Кристаллизация происходит слоями, которые располагаются параллельно фронту затвердевания. В зависимости от средней скорости кристаллизации в сварочной ванне могут расти столбчатые кристаллиты трех типов (рис. 2): гладкие, ячеистые и дендритные (древовидные). У линии сплавления (вблизи точки А) переохлаждение невелико, скорость кристаллизации мала. Фронт затвердевания гладкий, на нем нет выступов и впадин. Это гладкий рост кристаллитов. По мере увеличения переохлаждения на фронте затвердевания образуются выступы - начинается ячеистый рост. Ячеистые кристаллиты представляют собой ряд параллельных игл (ячеек), имеющих поперечный размер 10^-5...10^-6 см, между ячейками в пределах каждого кристаллита образуются субграницы. По мере увеличения переохлаждения увеличивается скорость кристаллизации, отдельные ячейки могут быстро прорастать в расплав в виде игл, образуя стволы (по оси первого порядка). От них по осям второго порядка растут ветви, на которых могут быть новые ветви, растущие по осям третьего порядка и т.д. Образуются древовидные кристаллиты-дендриты, происходит дендритный рост. Вблизи оси шва перед фронтом затвердевания переохлаждение может быть так велико, что на имеющихся в расплаве включениях, которые в этом случае будут служить центрами кристаллизации, начнут расти во всех направлениях неориентированные кристаллиты. Это автономный рост кристаллитов. Столбчатые кристаллиты прекращают свой рост, упираясь в закристаллизовавшуюся зону автономного роста.