Сварочный процесс и образование дефектов

При обработке материалов независимо от вида технологического процесса практически всегда образуются различные дефекты. Вид дефектов, механизм их образования зависят от особенностей применяемого технологического процесса.

 

К сожалению, и сварочный процесс, подобно другим технологическим процессам, не является исключением, и применение его при производстве различных изделий также приводит к образованию дефектов. Чтобы понять причины появления дефектов в сварных соединениях, кратко рассмотрим особенности сварочного процесса.


При сварке плавлением образование различных дефектов определяется характером взаимодействия жидкого и твёрдого металлов, а также металлов с газами и шлаком. На взаимодействие этих фаз, на структурные превращения в фазах в зависимости от способа сварки влияют тепло сварочной дуги, электронного и светового лучей и так далее.


Нагрев, плавление, испарение, кристаллизация и охлаждение металла, переход вещества из одной фазы в другую, распределение вещества внутри фазы, взаимодействие различных компонентов — все эти и многие другие процессы характерны для сварочных процессов. Поскольку все или часть из этих процессов протекают в различных участках зоны сварки одновременно, изучение всего процесса в целом является сложной и трудноразрешимой задачей. Поэтому рассмотрим отдельно процессы кристаллизации металла, взаимодействия жидкого металла с твёрдым металлом, а также металлом с газами и шлаком, т. е. те процессы, которые в наибольшей мере влияют на образование дефектов в сварочном соединении.


При сварке плавлением жидкий металл растворяет определённое количество газов из воздуха и газообразных продуктов разложения компонентов электродного покрытия или флюса. Основными газами, влияющими на свойства металла и чаще всего присутствующими в металле, являются кислород, водород и азот. Если водород растворяется в расплавленном металле физически, то кислород и азот с большинством металлов вступают в химическое взаимодействие. Причём значительное количество азота и особенно водорода находится в металле в растворенном состоянии, а кислород — в виде соединений.


Интенсивность взаимодействия газов с металлами зависит от многих факторов: химического сродства, температуры, давления, величины контактной поверхности и так далее.

При сварке имеются условия, которые способствуют усилению взаимодействия газов с металлами. Так, при электродуговых способах сварки поступлению газов в металл способствуют высокая температура, значительная контактная поверхность металл — газ при сравнительно небольшом объёме металла, интенсивное перемешивание металла, наличие электрических и магнитных полей.


Эти факторы, хотя и в различной степени, характерны и для других способов сварки плавлением. Поэтому обычно содержание газов в металле шва бывает заметно выше, чем в основном металле, а порой приближается или даже превышает предел их растворимости в металле. Этому способствует и высокая скорость охлаждения металла шва.

 

В процессе охлаждения вследствие снижения растворимости газов в металле происходит их выделение. Газы из металла могут быть удалены десорбцией с поверхности сварочной ванны или в результате образования газовых пузырьков в объёме металла. Если десорбция газа не приводит к образованию дефектов, то возникшие газовые пузырьки могут быть удалены из металла, пока он находится в расплавленном состоянии. В этом случае образование газовых пузырьков будет только способствовать дегазации металла. Однако если они образуются в период завершения кристаллизации металла сварочной ванны, то такие пузырьки останутся в металле в виде пор. Опасность образования пор увеличивается и вследствие скачкообразного уменьшения растворимости Н2 и N2 в металле при его затвердевании.


Поскольку на практике приходится иметь дело с многокомпонентными сплавами, то вредное влияние 02 и N2, присутствующих в металле, повышается благодаря возможности взаимодействия их с большинством легирующих компонентов. При этом могут образоваться и газообразные продукты (СО, С02), которые влияют на процесс порообразования, а также нитриды и оксиды. Основная причина образования этих неметаллических включений — уменьшение растворимости элементов в металле при снижении температуры. Кроме того, с понижением температуры увеличивается раскисляющая способность элементов, что также повышает интенсивность образования оксидов в металле шва.


Хотя при сварке плавлением длительность взаимодействия шлака с расплавленным металлом обычно невелика и колеблется от нескольких секунд для дуговых способов сварки до нескольких минут для электрошлаковой сварки, все же значение этого процесса довольно велико. Это обусловлено тем, что шлак с металлом взаимодействует при высоких температурах. Кроме того, для этого процесса характерны высокие значения площади контакта и сравнительно большая масса шлака, контактирующего с металлом.


Взаимодействие шлака с жидким металлом при сварке состоит в обменных окислительно восстановительных реакциях, благодаря которым происходит переход элементов из шлака в металл и обратно. При этом важное значение имеет состав шлака и металла. Например, уменьшение в составе шлака содержания активных оксидов (FeO, MnO, Si02) и повышение концентрации прочных оксидов (А1203, MgO) приводит к снижению окислительной способности шлака. Основные шлаки, содержащие значительное количество CaO, MgO, способствуют удалению из металла S, тем самым снижая содержание в металле сульфидов. Повышение содержания МпО при сварке сталей приводит к росту концентрации Мп в металле, что может уменьшить вредное влияние серы на свойства металла шва. Кроме того, шлаки выполняют функцию защиты металла шва от 02 и N2 воздуха.


Заметную роль играют и процессы взаимодействия твёрдого и жидкого металлов. Так, дендриты металла шва, о чем свидетельствуют результаты металлографических исследований, являются продолжением зёрен основного металла, расположенных на линии сплавления. Поэтому сечение столбчатых кристаллов металла шва во многом определяется размером зёрен основного металла. Кроме того, в процессе кристаллизации сварных швов вследствие различной растворимости элемента в твёрдым и жидком металлах возникает значительная химическая неоднородность в зоне сплавления, а также в пограничных участках кристаллизационных зон, появление которых объясняется прерывистым движением фронта кристаллизации.

Характер и степень микроскопической химической неоднородности оказывают существенное влияние на стойкость металла шва против образования трещин и на его механические свойства. Устранить же химическую неоднородность, возникающую при сварке, не удаётся, так как процесс диффузии, способствующий выравниванию состава, не успевает закончиться до’ окончания кристаллизации металла шва.

 

Помимо химической неоднородности в металле сварных швов наблюдается и физическая неоднородность, связанная с возникновением вторичных границ, проходящих по участкам, где сосредоточены несовершенства кристаллических решёток.


Следует отметить, что при сварке плавлением теплота, выделяемая источником нагрева, расходуется не только на плавление металла, но и на нагрев участков основного металла, прилегающего ко шву. Нагрев и охлаждение этих участков основного металла изменяют их структуру и могут привести к ухудшению механических свойств по сравнению с первоначальными. Степень этого ухудшения будет зависеть от температуры нагрева данного участка и скорости его охлаждения.


Таким образом, при сварке плавлением вследствие протекания различных физических и химических процессов всегда имеются условия для образования дефектов (пор, неметаллических включений, трещин) в сварном соединении или создания факторов, способствующих образованию дефектов (химическая и физическая неоднородность, структурные изменения и др.).