Предыдущая     |         Содержание     |    следующая

Сварка, резка и пайка металлов

Наплавленный металл и образование валика

При перемещении дуги равномерно по намеченной линии получается полоска наплавленного металла, так называемый валик (фиг. 51), Поперечное сечение валика характеризуется глубиной расплавления h , высотой валика Я, шириной валика b , площадью поперечного сечения F. Технологически важными характеристиками

меняются в пределах от 2

до 8.

Валик является элементом дуговой сварки металлическим электродом, подобно стружке при обработке металла резанием. Как всякая обработка резанием сводится к снятию большего или меньшего количества стружки, так и сварка металлической дугой сводится к наложению на поверхность изделия известного количества заликов . Наплавленный металл, образующий валик, представляет собой литой металл, весьма быстро охлаждённый и затвердевший. Быстрота охлаждения придаёт наплавленному металлу характерную дендритную структуру и не позволяет правильно сформироваться отдельным кристаллическим зёрнам. Кроме того, вследствие той же быстроты охлаждения наплавленный металл часто бывает засорён неметаллическими включениями и газовыми пузырьками.

По химическому составу наплавленный металл представляет нечто среднее между основным и электродным металлом со следующими характерными изменениями. Вследствие значительного перегрева металл теряет легко испаряющиеся составные части, например марганец, в значительных размерах; металл может быть


окислен и азотирован действием атмосферного воздуха. Наблюдается также сильное выгорание легко окисляющихся элементов, например углерода и кремния. Вредные примеси — фосфор и сера — практически не выгорают в процессе сварки и сохраняются полностью.

Так как химический состав наплавленного металла часто получается совершенно неудовлетворительным и неприемлемым, то нередко приходится принимать специальные меры к улучшению состава наплавленного металла. Наиболее частым приёмом является введение легирующих присадок в состав обмазки электродов. Посредством легирования через электродную обмазку или электродный стержень специального состава удаётся устранить ухудшение химического состава металла, вызванное процессом сварки, и восстановить его удовлетворительные механические свойства. К наплавленному металлу прилегает переходная зона, лежащая между наплавленным металлом и неизменённым основным металлом. Эта зона называется зоной термического воздействия, зоной термического влияния или просто зоной влияния, образование которой при сварке неизбежно. В зоне влияния находится основной металл, не расплавлявшийся в процессе сварки и сохранивший практически неизменным свой химический состав, но изменивший свою структуру и механические свойства вследствие термообработки, созданной процессом сварки.

Процесс нагрева и охлаждения какой-либо точки металла зоны влияния показан на фиг. 52. Сначала происходит быстрое повышение температуры, а затем более замедленное, но всё же достаточно быстрое охлаждение металла, идущее главным образом за счёт отдачи тепла в прилегающие холодные слои металла. Максимальная температура, до которой нагревается металл данной точки зоны влияния, зависит от положения этой точки. На границе расплавления максимальная температура равняется температуре плавления металла. По мере удаления от границы расплавления максимально достигаемая температура понижается (фиг. 53).

Результат теплового воздействия на металл в зоне влияния зависит от отношения данного металла к термообработке. Так, например, мало чувствительный к термообработке технически чистый металл при сварке мало изменяет свою структуру и механические свойства в зоне влияния. Если же металл чувствителен к термообработке, то его структура и механические свойства в зоне влияния могут резко изменяться. При этом могут наблюдаться как закалка с образованием твёрдых и хрупких структур, образование трещин,

так и отжиг со значительным снижением пределов прочности, текучести и т. д. В подобных случаях наиболее слабым местом сварного соединения может быть уже не наплавленный металл, а зона влияния, поэтому приходится принимать специальные меры к её улучшению, которые сводятся к изменению теплового режима в процессе сварки и последующей термообработке. Могут наблюдаться необратимые ухудшения структуры металла, не восстанавливаемые последующей термообработкой. Такое явление наблюдается, например, у дуралюминия и некоторых специальных сталей.

, поэтому и не происходило образования

-железа, растворения перлита и измельчения зерна, но здесь шёл процесс рекристаллизации, т. е. восстановление приблизительно равноосных зёрен из деформированных зёрен и их осколков, созданных процессом прокатки металла.

По мере удаления от границы расплавления явления рекристаллизации слабеют и идёт постепенный переход в зону, где максимальная температура металла не превышала 500° и где невозможно установить какие-либо признаки теплового воздействия процесса сварки на металл, кроме возможного отпуска закалочных структур и некоторого снижения предела прочности. Естественно, что вследствие неоднородности структуры в зоне влияния механические свойства металла будут также неоднородны. Для разобранного случая сварки малоуглеродистой стали свойства металла в зоне нормализации могут быть лучше свойств основного неизменённого металла, поэтому эта зона иногда называется также зоной улучшенного металла.

При нарушениях нормального процесса сварки могут возникать различные дефекты в строении валика. Одним из наиболее опасных дефектов является непровар , заключающийся в отсутствии сплавления между наплавленным и основным металлом. Непровар возникает при попадании расплавленного электродного металла на нерасплавленный основной металл. По поверхности соприкосновения сохраняется тонкая окисная плёнка, разделяющая наплавленный металл от основного и снижающая прочность сцепления между ними. Примеры непровара показаны на фиг. 56. Причинами непровара могут быть неправильное ведение процесса сварки, загрязнение поверхности металла, недостаточный ток и т. д. Непровар является дефектом, трудно обнаруживаемым при последующем контроле, а поэтому совершенно не допускается в ответственных сварных изделиях.

На фиг. 57 изображён подрез, т. е. углубление, идущее вдоль линии соприкосновения наплавленного металла с поверхностью основного.

Причиной подреза является чрезмерная сила тока и неправильное выполнение процесса сварки. Подрез легко обнаруживается при внешнем осмотре и может быть исправлен подваркой , поэтому подрез в небольших размерах для некоторых изделий считается допустимым.

Очень опасным дефектом являются трещины в наплавленном металле или зоне влияния. г Эта опасность увеличивается тем, что при работе изделия трещины часто увеличиваются в размерах, что приводит к полному разрушению изделия.

Кроме того, трещины довольно часто не выходят на поверхность изделия и поэтому трудно обнаруживаются.

Причинами образования трещин являются отступление от нормы в химическом составе основного и электродного металла, неправильное ведение процесса сварки, неудачная конструкция изделия. Повышение содержания в стали серы, фосфора и, в особенности, углерода сверх установленных норм опасно в отношении образования трещин. Важное значение имеет не только среднее содержание серы, но и равномерность её распределения по объёму металла. При часто наблюдающейся ликвации серы, образующей местные скопления в виде прослоек, возникновение трещин может наблюдаться и при среднем содержании серы, не превышающем установленных норм. Образованию трещин способствует увеличение сварочного тока и объёма жидкой ванны.

Трещины возникают при слишком жёстких конструкциях изделия и неправильной последовательности сварки. На образование трещин существенно влияет способ производства основного металла. Для ответственных изделий рекомендуется мартеновская успокоенная сталь. Кипящая сталь, как правило, даёт металла. Засорение металла неметаллическими включениями и газовыми пузырьками в значительной степени зависит от скорости затвердевания жидкой ванны.

Если эта скорость велика, например, при сварке электродами с тонкой обмазкой, то количество включений очень велико. При качественных электродах, дающих много шлака, ванна находится дольше в жидком состоянии, успевает несколько отстояться и неметаллические включения имеют время всплыть на поверхность металла. Как правило, наплавленный металл при качественных электродах достаточно чист и мало засорён неметаллическими включениями. Для сравнения на фиг. 58 приведены рентгенограммы валиков, наплавленных электродами с тонкой и с качественной обмазкой. Неметаллические включения и газовые пузырьки в небольших размерах, определяемых соответствующими техническими условиями, иногда считаются допустимыми,