§ 19. Сварка металлов

Сваркой называют технологический процесс получения неразъемных соединений различных материалов. Применительно к металлам разработано много видов сварки - плавлением, контактная, трением, диффузионная, взрывом и др. Здесь будет рассмотрена лишь сварка плавлением. Вопрос об источниках энергии для плавления в данном случае не имеет принципиального значения, так как рассматриваемые особенности в общем характерны для электросварки всех видов (дуговой обычной, под флюсом, с защитным газом, аргонодуговой, электрошлаковой, плазменной, электронно-лучевой) и газовой сварки.

При сварке плавлением происходят два процесса - плавление металла и его последующая кристаллизация. Это означает, что все закономерности процессов литейного производства, изложенные в предыдущем параграфе, имеют место и в данном случае, хотя их проявление осложнено особенностями процесса сварки. Эти особенности связаны в основном со значительно более быстрым охлаждением расплава, чем при получении отливок, так как расплав (сварочная ванна) имеет очень малый объем и непосредственно контактирует с большой массой твердого металла, способного очень быстро отводить тепло. Состав металла в образующемся сварном шве всегда отличен от основного металла, даже если сварка велась без присадочного материала, только за счет сплавления кромок соединяемых частей. Это вызвано тем, что всегда, при сварке металл насыщается кислородом и азотом, водородом из-за разложения влаги воздуха, различными примесями из загрязнений на свариваемых кромках. Если же используется присадочный материал в виде электрода из сплава иного состава, чем основной металл, то шов приобретает совершенно отличный от основы состав, при этом материал может быть очень неравномерным по составу из-за неполного перемешивания.

Сварной шов при неправильных режимах сварки (большая скорость, излишняя мощность) может быть поражен усадочными и газовыми порами по тем же причинам, которые вызывают эти пороки в отливках. В шве могут появиться горячие кристаллизационные трещины - один из главных пороков сварки. Эти трещины появляются точно так же, как и в отливках, из-за затрудненной усадки в ходе кристаллизации. Борьба с трещинами сводится к регулированию Состава металла в шве и уменьшению термических деформаций посредством технологических приемов (подогрев деталей, изменение скорости сварки, мощности дуги и т. д.).

Структура сварных швов характеризуется длинными зернами, вырастающими от границ ванны. Эти зерна начинаются от кристаллов основного металла и тянутся в направлении к источнику нагрева. Внутреннее строение этих зерен очень тонкое - из-за большой скорости кристаллизации стволы дендритов имеют вытянутую форму с малым поперечным сечением. Благодаря большой скорости охлаждения и повышенному содержанию примесей в материале шва часто появляются неравновесные выделения избыточных фаз. Из-за этого, как правило, сварной шов обладает пониженными пластическими характеристиками по относительному удлинению, по ударной вязкости и просто по технологической пробе на изгиб, особенно при низких температурах. По тем же самым причинам коррозионные свойства металла шва в несколько раз ниже, чем основного металла.

В процессе сварки плавлением тепловому воздействию подвергается металл возле шва - околошовная зона. Здесь могут происходить сложные структурные изменения, зависящие от природы и состояния металла и от температуры нагрева: фазовые переходы в процессе нагрева и охлаждения, рекристаллизация и вообще рост зерен, распад твердого раствора и пр. Все эти изменения в структуре отражаются на прочностных и коррозионных характеристиках металла околошовной зоны. Эти же причины могут вызвать появление холодных трещин в металле. Исправить нежелательные изменения бывает далеко не всегда возможно. Поэтому необходимо тщательно продумывать возможные изменения в металле под тепловым воздействием сварного шва, а сам процесс сварки стремиться проводить таким образом, чтобы вызвать наименьшие изменения в структуре и свойствах металла около шва.