Металл сварных швов при сварке плавлением формируется либо за счет расплавления только основного металла, либо, более часто, за счет расплавления основного и добавочного (присадочного металла).
В процессе сварочной операции расплавленный металл взаимодействует с окружающей средой (газами, неметаллическими расплавами — шлаками и пр.) и получает те или иные изменения, связанные с испарением некоторых составляющих при высоких температурах сварочного пространства, образованием различных химических соединений, нерастворимых в металле и др. В целом, эти изменения характерны как для расплавляемого основного металла, находящегося в сварочной ванне, так и для поступающего в ванну добавочного металла. Как правило, поступающий в ванну добавочный металл при основных способах сварки плавлением (электрическая дуговая сварка, особенно плавящимся электродом; электрошлаковая сварка) нагревается до более высоких температур, чем в ванне, и имеет большую контактирующую со средой удельную поверхность (отношение поверхности к объему). Поэтому все процессы взаимодействия с окружающей средой, происходящие через поверхность, приводят, как правило, к большему изменению состава добавочного металла, чем расплавляемого. Этот измененный в процессе сварки добавочный металл называется наплавленным металлом.
Рассмотрим формирование состава металла шва на примере дуговой сварки плавящимся электродом.
При сварке штучными электродами формирование состава металла шва можно представить в виде смешивания наплавленного металла и расплавленного основного металла. В связи с тем, что основным фактором, вызывающим изменение состава расплавленного электродного стержня при сварке является его взаимодействие с электродным покрытием, а их относительные количества, т.е Gэп/Gэс остаются постоянными, то состав наплавленного металла практическим мало зависит от режима сварки и является некоторой постоянной характеристикой для каждой конкретной марки электрода. Доля участи основного металла при РДС не превышает 25 – 30%.
В целом состав металла шва, выполненного в один проход, по любому элементу X можно выразить в виде долевого участия основного и электродного металлов и концентраций этого элемента в них, формулой
Хмш = γ Х ом + (1 – γ) Хэп
γ и (1 – γ) доля основного и электродного металлов в
металле шва.
При сварке под флюсом изменение состава металла не является стабильной характеристикой и в значительной степени зависит от режима сварки (тока, напряжения, скорости сварки). Эти параметры определяют изменения относительной массы шлака, т.е. Gш/Gнм. В связи с этим происходит существенное изменение хим. состава наплавленного металла, а следовательно, и металла сварного шва при изменении параметров режима АСФ. При АСФ доля участия основного металла γ находится в пределах 0,65 – 0,7 (65 – 70%). Связано это с тем, что при АСФ происходит глубокое проплавление основного металла из-за использования больших токов, а следовательно и плотности токов в электроде. При значительных токах резко возрастает давление дуги на жидкий металл сварочной ванны, вытеснение его из головной части ванны, что и способствует глубокому проплавлению основного металла
Экспериментально величины γ и 1- γ определяются по макрошлифам швов или наплавок.
Сложнее осуществляется расчет состава многослойных наплавок и особенно швов в разделку.
Формирование состава наплавок происходит следующим образом. В слое, состоящем из отдельных валиков, каждый последующий валик перекрывает предыдущий на 1/4— 1/3 его ширины. В этом случае второй валик первого слоя уже будет являться продуктом смешивания металлов трех химических составов — расплавленного основного, наплавленного и металла первого валика (МШ1 1). Если представить второй валик первого слоя состоящим из доли основного металла, доли металла валика МШ1 1 и рассчитанной части наплавленного металла, то можно оценить отличие состава МШ1 2 от состава МШ1 1и далее МШ1 2 до МШ1 3.
Разница составов МШ1 1и МШ1 2 может быть значительной, а в дальнейшем отличие МШ1 3 от МШ1 2 уже незначительно.
Соответственно будут несколько отличаться и составы валиков во втором слое, т. е. МШ2 1 и МШ2 2 и т. д., хотя различие между ними будет уже меньше — они будут ближе к составу наплавленного металла.
При значительной разнице составов основного и наплавляемого металлов различие между слоями может быть весьма большим.
В стыковых швах, выполненных в несколько слоев, особенно с узкой глубокой разделкой, это уменьшение доли основного металла происходит заметно слабее.
Учитывая все отмеченное выше, можно заключить, что средством регулирования химического состава, а следовательно, и свойств металла швов является соответствующий выбор сварочных материалов. При этом влияние режима сварки особенно значительно может проявляться при автоматической и полуавтоматической сварке, сварке плавящимся электродом под флюсом, при электрошлаковой сварке и в меньшей степени при ручной сварке штучными электродами. При аргоно-дуговой сварке неплавящимся электродом, а также при газовой сварке плавлением регулирование химического состава металла швов достигается соответствующим выбором присадочного металла и его относительным количеством, вводимым в сварочную ванну, т. е. долевым участием в шве. Это достигается подбором формы кромок, подготовляемых под сварку, и регулированием расплавления основного и присадочного металла.