Основные параметры режима, регулирующего термический цикл сварки, является величина погонной энергии дуги и начальная температура металла. С увеличением первой или второй величины уменьшается скорость охлаждения, что благоприятно сказывается на структуре шва и околошовной зоны.

В результате соприкосновения металла ванны с твердым основным металлом происходит быстрый отвод тепла, металл шва кристаллизуется и застывает. В задней части ванны def происходит процесс кристаллизации. На характер кристаллизации расплавленного металла и структуру околошовной зоны влияет быстрота приложения и отвода тепла.

В сварочной ванне происходят следующие процессы на различных этапах ее существования:

а) перемешивание шлака с расплавленным основным и электродным металлом;

б) газовая и шлаковая защита ванны;

в) окисление, раскисление и легирование металла ванны;

г) растворение газов в металле ванны;

д) образование пор и шлаковых включений;

е) кристаллизация металла и формирование шва.

Металл шва представляет собой сплав основного и электродного металла, иногда сильно различающихся по химсоставу. На химический состав металла влияет это, а также реакции в процессе сварки. На ход и интенсивность последних влияют окружающая среда, степень защиты ванны от воздуха, состав окружающих газов и шлака, режим сварки.

3.2. Физико-химические процессы при сварке плавлением

3.2.1. Особенности металлургических процессов при сварке

При высокой температуре в дуге происходят химические реакции, не имеющие места при обычном металлургическом процессе, например диссоциация (разложение сложных молекул) газов:

О2 О + О± Q1;

N2 N + N ± Q2;

H2 H + H ±Q3;

Q1, Q2, Q3 – количество тепла, поглощаемое или выделяемое реакцией.

Атомарный азот и кислород интенсивно соединяются с железом и другими элементами в стали, насыщая шов. Атомарный водород легко растворяется в жидкой стали и при ее затвердевании не успевает весь выделиться, оставаясь частично в шве.

При высокой температуре происходит интенсивное испарение и выгорание (окисление) элементов из стали.

Взаимодействие жидкого металла ванны с газами.

КИСЛОРОД, поступая в ванну из воздуха или покрытия и флюсов. интенсивно окисляет железо и другие элементы расплавленного металла. При этом железо окисляется атомарным кислородом:

Fe + O = FeO + Q4;

или молекулярным:

2Fe + O2 = 2FeO + Q5.

Образующаяся в результате реакций закись железа хорошо растворяется в стали до полного насыщения. Ввиду быстроты процесса затвердевания металла шва значительная часть закиси железа не успевает выпасть в осадок и перейти в шлак и остается в шве. Если в стали ВСтЗкп содержание O2 =(0,01-0,02) %, то в металле шва, выполненного металлическим электродом незащищенной дугой его 0,25-0,3 %. Кислород интенсивно окисляет в стали углерод, кремний, марганец и другие элементы. При указанном способе сварки окисляется и переходит в шлак и газы в среднем (10-12) % Fe, (50-60)% С, (40-50)% Mn.

Длина дуги оказывает влияние на степень окисления: чем больше дуга, тем интенсивнее окисление; при меньшей дуге окисление менее интенсивно.

Находясь в виде закиси FеО, кислород является вредной примесью резко снижая механические свойства стали (рис. 3.3).

ВОДОРОД, попадая в сварочную ванну из влаги воздуха, электродных покрытий, ржавчины, органических веществ покрытий, растворяясь в ванне при высокой температуре в атомарном виде, при остывании ванны переходит в молекулярное состояние. Будучи в таком состоянии нерастворимым в стали, водород при кристаллизации ванны выделяется из шва. Выделяясь не полностью, молекулярный водород остается в шве в виде газовых включений и является вредной примесью, образуя пористость и трещины в шве и околошовной зоне.

АЗОТ поступает в ванну из воздуха и при взаимодействии с металлом образует нитриды железа Fe4N, Fe2N, марганца и др. элементов. Нитриды, выделившись из твердого раствора a-железа, насыщают шов в виде тонких включений – игл (в ВСт3 N2 ≤0,001÷0,0008 , а в шве – 0,12÷18%).

Азот является вредной примесью, влияя на механические свойства стали (рис.3.4). Нитриды выделяются из твердого раствора a-железа не только при затвердевании, но и с течением времени, вызывая процесс старения.

Понижение растворимости азота и водорода при понижении температуры затвердевающего металла приводит к выделению их из жидкого металла. Не успев всплыть на поверхность, пузырьки этих газов остаются в шве, образуя пористость. Необходимо стремиться к снижению содержания N и H в атмосфере дуги.

УГЛЕРОД, содержащийся в основном и электродном металле, при окислении в СО (окись) обычно успевает выделиться из жидкого металла до остывания. Однако, при повышенном его содержании в ванне, при недостатке раскислителей, большой скорости сварки, часть окиси углерода не успевает выделиться и остается в шве в виде пор.

Металл шва, выполненного незащищенной дугой, имеет пониженные механические свойства: σв =34-38 кг/мм2; d=3÷8%, ак =0,5÷1,5кгс/мм2, угол загиба – 30÷50 °.

3.2.2 Защита расплавляемого при сварке металла

Для получения высококачественного металла шва и сварного соединения применяют защиту расплавляемого при сварке металла от окружающего воздуха шлаком или защитным газом.

При сварке одновременно с расплавлением основного и электродного металла образуется жидкая фаза неметаллического характера, называемая шлаком. Источники образования шлака - покрытие электродов или флюсы, плавящиеся при сварке, а также окисление металла кислородом в результате реакций при сварке.

При сварке шлаки могут иметь различный химсостав, определяемый составом покрытия или флюса, а также условиями сварки. Обычно шлаки состоят из окислов (SiO2, TiO2, P2O5, Cao, Mno, Feo, Mgo, и др.) и солей различных кислот (СaS, MnS, CaF2 и т.п.). Окислы SiO2, TiO2 и P2O5 - кислые, остальные имеют основной характер. Все шлаки в зависимости от весового соотношения в их составе кислых и основных окислов делятся на кислые и основные. Отношение веса всех кислых окислов данного шлака к весу всех основных окислов называется степенью кислотности шлака. У кислых окислов она больше 1, у основных – меньше 1. Степень кислотности определяет его физические свойства и механизм взаимодействия между шлаком и металлом.