При наличии марганца - раскислителя силикаты могут реагировать с ним, восстанавливая железо

FeО·SiO2 + Mn = MnO·SiO2 + Fe

Силикат марганца остается в шлаке.

Легирование металла шва происходит при сварке наряду с процессом раскисления. Легирование осуществляется для компенсации выгорания некоторых элементов в -ме талле ванны или для ввода в металл элементов, не содержащихся в основном металле. Обычно легирующие элементы вводят в электродную проволоку или в покрытия и флюсы для получения металла шва требуемого химсостава.

При сварке малоуглеродистых и низколегированных сталей раскислители Мn и Si , имеющиеся в покрытиях и флюсах, являются и легирующими элементами.

В плавленых флюсах для автоматической сварки раскислители и легирующие элементы находятся в виде окисловMn и Si, которые восстанавливаются из шлака при сварке. Обычно при автоматической сварке кол-во восстановленногоMn и Si достаточно для выполнения указанных функций, хотя легирование этим путем ограничено. Хорошо обеспечивают легирование керамические флюсы, в состав которых вводят и легирующие элементы.

Легирующими элементами при сварке служат : Mn, Si, Ti, Al, C, Cr, Ni, Mo и др. Рафинирование. Параллельно с раскислением и легированием при сварке происхо-

дит рафинирование металла шва, заключающееся в освобождении шва от шлаковых включений и вредных примесей, например FeS, P2O5 и др.

Ввиду наличия слоя расплавленного шлака на поверхности ванны процесс охлаждения металла шва происходит довольно медленно, поэтому из него успевают выделиться шлаковые и газовые включения.

Защита расплавленного металла при помощи электродных покрытий или флюса обеспечивает получение высококачественного сварного шва с небольшим содержанием кислорода и азота. Так, при сварке малоуглеродистой стали электродами с толстым покрытием (УОНИ -13/45) содержание в шве кислорода составляет0,02-0,03%, азота - 0,02-0,05%.При автоматической сварке под флюсом марки 0СЦ-45 кислорода содержит-

ся в шве 0,03-0,05%, азота - 0.002-0,003%.

3.3. Структура и свойства металла сварных соединений

Так как качество сварного соединения зависит не только от химического состава металла шва, но и от его структуры, то следует проследить процесс кристаллизации металла.

Кристаллизация - это процесс образования кристаллов в металле при его затвердевании. Кристаллизация металла в сварочной ванне протекает в таких специфических усло-

38

виях:

1)при быстром концентрированном воздействии источника тепла и охлаждающих стенок ванны; при этом фронт кристаллизации связан с перемещением источника тепла;

2)распределение температуры по малому объему ванны неравномерно;

3)кристаллизация металла осуществляется с большими средними скоростями роста кристаллов.

Процесс первичной кристаллизации начинается после прекращения действия дуги на сварочную ванну, в зоне def. Зародышевыми центрами кристаллизации являются подплавленные зерна основного металластенки ванны. На них как на своеобразной подкладке начинают свой рост первичные кристаллы, количество которых ограничено. Кристаллы развиваются нормально к поверхности охлаждения в направлении, обратном отводу тепла, т.е. от стенок вглубь жидкого металла ванны. Однако они мешают росту друг друга в поперечном направлении и приобретают так называемую столбчатую фор-

му (рис.3.5)

Рис. 3.5 Схема роста кристаллов

Рост таких кристаллов способствует лучшему выделению неметаллических включений, как бы выталкиваемых при этом на поверхность. Каждый столбчатый кристалл состоит из группы одинаково ориентированных дендритов, растущих от соответствующего центра роста кристаллизации кристаллов.

В соответствии с теорией периодической кристаллизации(школа акад. Н.Т.Гудцова) кристаллы растут с некоторыми остановками, т.е. слоями или волнами. Прерывистость процесса кристаллизации является причиной слоистости шва и мелкочашуйчатости поверхности его (рис.3.6). На неравномерность распределения элементов, химических соединений и других составляющих в металлеликвацию - влияет коэффициент формы

B

ванны – y = H .

39

Рис.З.6. Схема столбчатого и слоистого строения металла.

В узких швах (y £ 2 ) зоны ликвации находятся в центре, поэтому они могут быть сильно ослаблены. В широких швах (y ³ 2 ) условия кристаллизации лучше, зона лик-

вации находится вверху, что не отражается на прочности шва.

При дальнейшем охлаждении наплавленного металла в твердой фазе происходят процессы вторичной кристаллизации, и металл приобретает вторичную структуру.

Структуру сварных соединений изучают на поперечных и продольных шлифах металлографическими исследованиями, включающими исследование макро- и микроструктуры.

При исследовании макроструктуры определяют характер кристаллизации, контуры провара, зону термического влияния, ликвацию, неоднородность структуры и дефекты металла сварного соединения.

При исследовании микроструктуры определяют расположение кристаллов, характер фазовых структурных превращений, особенности отдельных структурных составляющих, наличие включений и трещин и т.д.

Исследования микроструктуры сварного шва малоуглеродистой стали, выполненного электродами с покрытием или под флюсом, показывают, что металл шва имеет мелкозернистую структуру и равномерное распределение зерен феррита(Fe3, C≤0, 07%) и перлита(Fe3C + Fe), свидетельствующее о замедленном охлаждении шва под слоем шлака. В шве отсутствуют кислородные включения и нитриды. В сварных швах стали с повышенным содержанием углерода наблюдается увеличение количества перлита и рост зерен, что связано с увеличением содержания углерода. Такие стали чувствительны к перегреву и закалке, в них имеются участки перегрева с крупными кристаллами– видманштеттова структура. При перегреве снижаются пластичность и вязкость стали, ввиду чего стремятся не допустить перегрева или делают последующую термическую обработку.

Сварное соединение разделяется на три основные зоны с различным микроструктурами: А - зона наплавленного металла; Б - зона термического влияния; В - зона основного металла.

40

На рис.3.7 схематически изображен сварной шов, а над ним в том же масштабе проведена кривая распределения максимальных температур. Рядом в том же масштабе - левая часть диаграммы состояния Fe—С, где прямой I- I показан состав свариваемого металла по углероду.

Рис. 3.7. Структура сварного соединения

А– металл шва; Б – Зона термического влияния (ЗТВ);

1– участок сплавления (неполного расплавления металла); 2 – участок перегрева; 3 – участок нормализации; 4 – участок неполной перекристаллизации; 5 – участок рекристаллизации;

6 – участок синеломкости

Зоной термического влияния называют прилегающий к шву участок основного металла, в котором произошли структурные фазовые изменения вследствие нагрева. Она состоит из следующих характерных участков(глубина ее 2-6 мм): 1 - неполного расплавления; 2 - перегрева; 3 - нормализации; 4 - неполной перекристаллизации;5 - рекристаллизации; б - синеломкости.

Рассмотрим структуру этих участков.

Участок неполного расплавления 1 - в виде тонкой переходной полоски от металла

шва (0,1-0,4мм) к основному металлу имеет температурыот Т плавления до~14300С. Имеет жидкую и твердую фазы, что способствует развитию крупного зерна; структура феррито-перлитная (феррит вокруг перлита).

Участок перегрева 2 лежит в интервале температур1430-11000С, способствующих росту зерна, характеризуется крупнозернистостью. Феррит окружает укрупнённые перлитные зерна своеобразной каймой. В малоуглеродистой стали этот участок может отсутствовать. С повышением содержания С и легирующих элементов может образоваться видманштеттова структура. Участок перегрева имеет пониженные механические свой-

ства (σт, σв, δ), поэтому влияет на качество соединения.

41