Глава 9. Основы сварки стали

Особенности металлургических процессов при сварке стали плавлением

Дуговая сварка плавлением является своеобразным маталлургическим процессом, протекающим в' совершенно необычных для металлургии условиях, в небольшом объеме сварочной ванны и в течение короткого времени. Объем сварочной ванны естественного формирования (рис. 9.1) определяется ее размерами.

Рис. 9.1. Сварочная ванна
А - длина; Б - ширина; h - глубина прохода; Тпл - температура плавления стали

Длину ванны А можно определить по формуле

где Р — коэффициент, определяемый опытным путем; для ручной сварки плавящимся электродом Р=(1,7—2,3) 10-3 мм/Вт; /д — сварочный ток, A; Uд — напряжение дуги, В.

Задавшись величиной сварочного тока /д=300 А, напряжением дуги Uд=30 В, можно определить длину ванны; она будет равна 15,3—20,7 мм. Практически длина ванны колеблется от 15 до 25 мм, что примерно соответствует расчету. Ширина ванны Б обычно равна 2—4 диаметрам электрода. Для наиболее ходовых электродов диаметром-4 мм длина ванны равна 8— 12 мм, а диаметром 5 мм — 10—20 мм. Глубина проплавления h не превышает 2—4 мм. Таким образом, ориентировочный объем сварочной ванны 0,2—0,5 см3, а масса 1,5—4 г. Среднее время существования ванны составляет всего 15 с, после чего металл затвердевает и кристаллизуется.

Маленький объем ванны и интенсивный отвод тепла в основной металл предопределяет большую скорость затвердевания расплавленного металла. Как видно из рис. 9.1, наибольшая температура в переднем участке ванны, а на периферии задней части она равна температуре плавления стали Тпл. В передней части ванны происходит плавление металла и совершаются интенсивные реакции элементов металла, газовой и шлаковой среды. В задней части, начиная с периферийных участков, прилегающих к основному металлу, происходят затвердевание и кристаллизация металла ванны. Металл сварочного шва и прилегающего к нему изделия в процессе сварки претерпевает нагрев и охлаждение, т. е. термическую обработку. Эти изменения температуры в каждой точке сварного соединения называют термическим циклом.

Таким образом, сварной шов образуется в результате сложного металлургического процесса, характеризующегося

  • высокой температурой;
  • небольшим объемом расплавленного металла электрода и металла изделия, перемешанных между собой в результате расплавления;
  • коротким временем процесса;
  • быстрым отводом тепла в прилегающий металл изделия и атмосферу;
  • интенсивным воздействием металла, шлака и газа при высокой температуре.

Температура расплавленного железа в районе анодного (или катодного) пятна достигает температуры кипения 2200—2300 °С. При высокой температуре происходит диссоциация (разъединение, распад) некоторой части молекулярных газов на атомарные, которая сопровождается поглощением тепла:

Атомарный кислород и азот активно вступают в реакции с металлом (железом, марганцем и др.) и частично остаются в шве. Атомарный водород легко растворяется в жидкой стали и при ее затвердевании часто не успевает выделиться.

При высокой температуре происходят выгорание и испарение некоторых элементов из стали и шлака.

Большая скорость подачи тепла сварочной дугой и его отвода в основной металл и в атмосферу влияет на характер кристаллизации ванны. В отличие от основного металла шов имеет структуру литой стали. По химическому составу он может отличаться от основного металла, так как образуется в результате перемешивания основного и электродного металла и под влиянием реакций, происходящих между металлом, газом и шлаком в процессе сварки. Термический цикл, который претерпевает сварное соединение, оказывает существенное влияние на структуру шва и прилегающие к нему зоны основного металла.


Рейтинг@Mail.ru