Теплота, выделяемая дугой при сварке, распространяется на основной металл. При этом по мере удаления от границы сплавления скорость и максимальная температура нагрева металла снижаются. Вследствие этого в зоне основного металла в зависимости от температуры нагрева происходят фазовые и структурные изменения, которые влияют на прочность сварного соединения.
Зону основного металла, прилегающую к сварочной ванне, называют зоной термического влияния (рис. 56).
Участок неполного расплавления 1 является важным участком зоны, так как здесь происходит сращивание основного и наплавленного металлов и образование общих кристаллов. Участок представляет собой узкую полосу, измеряемую десятыми, а иногда и сотыми долями миллиметра в зависимости от способа сварки.
Участок перегрева 2 включает в себя металл, нагреваемый до температуры, близкой к температуре плавления. Этот участок характеризуется крупнозернистой структурой.
Перегрев, как правило, снижает механические качества металла (пластичность, вязкость). Перегрев стали может вызвать образование крупнозернистой игольчатой структуры с низкими механическими показателями. Это явление характерно для сталей с большим содержанием углерода. Участок перегрева особенно опасен для сталей, склонных к образованию закалочных структур.
Рис. 56.
Термический цикл и схема изменения текстуры и свойств сварного соединения низкоуглеродистой стали при однопроходной сварке: а – распределение максимальных температур; б – схема изменения текстуры; в – изменение твердости
Участок нормализации 3 включает металл, нагреваемый до температуры более 900 °C. При нагреве и охлаждении металла на этом участке происходят перекристаллизация и значительное измельчение зерна. Металл участка приобретает высокие механические качества.
Участок неполной перекристаллизации 4 включает металл, нагреваемый до температуры выше 725 °C. Металл участка состоит из крупных зерен, не прошедших перекристаллизацию, и скопления мелких зерен, прошедших перекристаллизацию. Это объясняется тем, что теплоты, полученной металлом, недостаточно для его полной перекристаллизации. Механические качества металла участка в связи с такой смешанной структурой невысокие.
Участок рекристаллизации 5 включает металл, нагреваемый выше температуры 500 °C. На этом участке структурные изменения в металле не происходят, если только он перед сваркой не подвергался обработке давлением. Если же металл перед сваркой подвергался пластическим деформациям, то на этом участке наблюдается восстановление прежней формы и размеров зерен металла, разрушенных при обработке давлением.
Участок синеломкости 6 по структуре металла не отличается от основного. Однако металл участка имеет несколько пониженные пластичность и вязкость, а также большую склонность к образованию трещин. Ширина зоны термического влияния зависит от вида, способа и режима сварки – при ручной дуговой сварке она равна 2,5–6 мм, при механизированной сварке под флюсом – 2,5–4 мм, при сварке в защитных газах – 1–2,5 мм.
Сварка оказывает незначительное влияние на механические свойства низкоуглеродистой стали. При сварке же конструкционных сталей в зоне термического влияния могут происходить структурные изменения, снижающие механические показатели сварного соединения. При этом в металле шва образуются закалочные структуры и даже трещины.
Глава 9
Сварочная проволока и электроды
Сварочными называют материалы, которые обеспечивают возможность протекания сварочных процессов и получение качественных сварных соединений. К таким относят присадочные, покрытые электроды, флюсы, защитные газы и некоторые другие материалы.
С применением присадочных материалов выполняются практически все сварочные швы. Роль данных материалов, помимо получения необходимой геометрии шва, заключается еще и в обеспечении высоких эксплуатационных характеристик при минимальной склонности к образованию дефектов. В большинстве случаев состав присадочного материала мало отличается от химического состава свариваемого металла. Присадочные материалы разрабатывают применительно к конкретным группам свариваемых металлов и сплавов, а также к их отдельным маркам. При этом учитывают и методы сварки, определяющие потери отдельных элементов.
Присадочный материал должен содержать меньшие количества газов и шлаковых включений, быть более чистым по примесям. Присадочные материалы используют в виде металлической проволоки сплошного сечения или порошковой проволоки (с порошковым сердечником). Применяют также прутки, пластины, ленты.
К сварочной проволоке предъявляют высокие требования по состоянию поверхности, предельным отклонениям по диаметру, овальности и другим показателям. Для заполнения разделки шва в зону дуги вводят присадочный металл в виде прутка или проволоки.
При ручной дуговой сварке применяют плавящиеся электроды в виде прутков или стержней с покрытием. При механизированной сварке используют электрод в виде проволоки, намотанной на кассету. Изготовляют стальную холоднотянутую проволоку круглого сечения диаметрами 0,3; 0,5; 0,8; 1,0; 1,2; 1,4; 1,6; 2,0; 2,5; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0; 8,0; 10,0 и 12,0 мм и поставляют в мотках (бухтах) из одного отреза.
Проволока первых семи диаметров предназначена в основном для полуавтоматической и автоматической сварки в защитном газе. Для автоматической и полуавтоматической сварки под флюсом применяют проволоку диаметром 2–6 мм. На изготовление стержней электродов идет проволока диаметром 1,6–12,0 мм. Поверхность проволоки должна быть гладкой, чистой, без окалины, ржавчины, грязи и масла.
По химическому составу стальная проволока делится на три основные группы:
• углеродистая (6 марок) – с содержанием углерода не более 0,12 % – предназначена для сварки низкоуглеродистых, среднеуглеродистых и некоторых низколегированных сталей;
• легированная (30 марок) – для сварки низколегированных, конструкционных, теплостойких сталей;
• высоколегированная (41 марка) – для сварки хромистых, хромоникелевых, нержавеющих и других специальных легированных сталей.
Проволока маркируется индексом Св (сварочная), буквами и цифрами. Обозначения легирующих примесей следующие:
Г – марганец,
С – кремний,
X – хром,
Н – никель,
М – молибден,
В – вольфрам,
Ф – ванадий и др.
Первые две цифры указывают содержание углерода в сотых долях процента, а цифры после буквы, указывающей легирующие примеси, – количество данного элемента в процентах. Отсутствие цифры после буквенного обозначения легирующего элемента означает, что этого элемента в материале проволоки менее одного процента. Буква А в конце марки указывает на пониженное содержание вредных примесей (серы и фосфора). Например, сварочная проволока марки Св–08ХГ2С содержит 0,08 % углерода, до 1 % хрома, до 2 % марганца и до 1 % кремния. Содержание углерода в сварочной проволоке не превышает 0,12–0,15 %, что снижает склонность металла шва к газовой пористости и образованию твердых закалочных структур.
Содержание кремния в углеродистой проволоке составляет менее 0,03 %, так как наличие кремния способствует образованию при сварке пор в металле шва. Допустимое содержание серы и фосфора также ограниченно (0,04 % каждого элемента), так как они даже при малой концентрации способствуют образованию трещин в сварном шве.
Медь и ее сплавы сваривают проволокой и прутками из меди и сплавов на медной основе.
Алюминий и алюминиевые сплавы сваривают сварочной проволокой из алюминия и его сплавов.
Для сварки других металлов и сплавов применяют сварочную проволоку или стержни, изготовленные либо по ГОСТу на свариваемый металл, либо по техническим условиям.
Рис. 57.
Схема изготовления порошковой проволоки:
1 – стальная лента; 2 – бункер с шихтой; 3 – фильеры; 4 – порошковая проволока
Рис. 58.
Поперечное сечение порошковых проволок:
а – кольцевая; б – с одной загнутой кромкой; в – с двумя загнутыми кромками; г – двухслойная
Порошковая электродная проволока (рис. 57, 58) применяется вместо дорогостоящей легированной сварочной проволоки. Она состоит из таллической оболочки и сердечника. Металлическая оболочка служит для подвода сварочного тока и удержания порошкового сердечника. Сердечник представляет собой смесь порошков минералов, руд, ферросплавов и металлических порошков. Участвуя в металлургическом процессе при сварке, смесь обеспечивает защиту металла сварочной ванны от кислорода и азота воздуха, раскисление и легирование металла шва, образование легко удаляемого шлака и получение высококачественного шва. Сварку порошковой проволокой производят открытой дугой, под флюсом или в защитных газах.
