Плавление металла в сварочной ванне

Наибольшую актуальность проблема влияния кислорода на свойства металлических швов имеет при сварке плавлением. Это объясняется тем, что при плавлении металл высоко активен, вступает во взаимодействие не только с окружающей атмосферой, но и с защитной средой (защитным газом, компонентами расплавленного флюса и электродного покрытия).

Поэтому кратко рассмотрим природу плавления металла в сварочной ванне.

При сварке плавлением кромки свариваемого металла и присадочный металл расплавляются под действием источника энергии. В результате образуется общая для соединяемых деталей сварочная ванна (рис.1). При этом под сварочной ванной понимают как ванну жидкого металла, так и капли расплавленного металла, образующиеся на конце электрода (электродной проволоки).

В процессе сварки дуга перемещается вдоль свариваемых кромок и образует подвижную сварочную ванну, в передней части которой (abc) происходит плавление металла (основного и присадочного, а в хвостовой части (dkn)) – кристаллизация (рис.2). По мере движения дуги и ванны происходит формирование сварного шва

Рис.1. Схема процесса сварки плавлением

Конвективные потоки badn и bckn в ванне способствуют перемешиванию металла, а также его интенсивному взаимодействию с защитной средой. Несмотря на относительно небольшую продолжительность контакта металла с расплавленным шлаком, степень взаимодействия их весьма значительная из-за высоких температур в зоне плавлении я и больших поверхностей контакта. Кроме того при сварке под флюсом масса шлака в 1,1-1,2 больше массы расплавленного металла, что на порядок превышает соотношения при металлургических процессах плавки.

Кроме этого особенность металлургических процессов в сварочной ванне определяет и температурное поле в ней (рис.3).

Наибольшая температура наблюдается под дугой в передней части ванны (~3000 К). Периферийные участки сварочной ванны имеют температуру, близкую к температуре кристаллизации. Средняя температура электродного металла обычно выше, чем в сварочной ванне. Например, при сварке в проволокой св-08Г2С средняя температура в сварочной ванне 2170 К, а электродных капель (2860-2970) К, при сварке электродами с кислым покрытием (1870-2270) К и (2380-2470) К соответственно.

Повышенная температура и большая удельная поверхность капель электродного металла создают более благоприятные по сравнению с ванной условия взаимодействия металла с газами и шлаком именно на стадии капель.

Повышение температуры до максимума с последующим спадом приводит к тому, что на разных участках зоны плавления идут процессы разных направлений. Например, одновременно с восстановлением и из шлака при сварке под флюсом возможно их окисление в хвостовой части ванны или абсорбция жидким металлом газов в более нагретой части зоны плавления может сопровождаться их десорбцией в менее нагретых участках.

Наиболее интенсивно большинство процессов взаимодействия металл - защитная среда протекают на высокотемпературных участках. Поэтому особо благоприятные условия реакционного взаимодействия создаются на стадии капли и ее переноса. (Здесь происходит и значительное перемешивание металла и шлака).

По мере уменьшения температуры большинство процессов начинает протекать в обратном направлении. Однако, скорость обратных процессов ниже скорости прямых в наиболее горячей части зоны плавления. Т.е. количество прореагировавшего вещества в процессе нагрева оказывается больше, чем при снижении температуры. Поэтому в закристаллизовавшемся металле часто наблюдается изменение концентрации того или иного элемента по сравнению с исходной. Схематически процесс представлен на рисунке 4.

В связи с обратимостью большинства процессов на границе металл - защитная среда они стремятся к равновесию. Однако равновесное состояние зависит от температуры. В зоне сварки температуры металла и шлака постоянно изменяются, поэтому принципиально возможно не достижение равновесия реакций взаимодействия, а достаточно высокая степень приближения к нему.

Рис.4. Схема изменения концентрации элемента в наплавляемом металле в результате его взаимодействия со шлаком в сварочной ванне.

Будем считать, что между жидким металлом и шлаком при сварке под флюсом идет реакция по схеме:

(10)

В результате такой реакции в наплавленном металле с увеличением температуры возрастает концентрация . Исходное равновесное содержание этого элемента в металле было [C₁] (рис. 4).

Реакция стремится к новому равновесию, причем скорость ее возрастает с повышением температуры. После достижения Т_max температура снижается и следовательно в обратном направлении должна меняться концентрация в наплавленном металле, стремясь к [C₁]. Однако при достижении Т_max концентрация соответствует равновесному [C_p] для более низкой температуры, поэтому при начальном снижении температуры [C₁] продолжает расти, стремясь к равновесному состоянию [C_p]_max. Т.е. температура начинает снижаться, а концентрация в наплавленном металле продолжает расти.

При дальнейшем снижении температуры увеличение содержания сначала замедляется, а затем, пройдя через максимальную концентрацию [C_p], соответствующую температуре Т_p, начинает понижаться, но по-прежнему отставая от изменения температуры. Это отставание по мере снижения температуры должно увеличиваться, т.к. скорость реакции уменьшается. При остывании металла до температуры Т_кр концентрация не будет иметь значение [C₁], а останется на некоем уровне [C₂], что и создает прирост элемента в наплавленном металле.

Аналогичные рассуждения справедливы и применяются к взаимодействию между газами и металлом в зоне плавления.