Общая схема формирования химического состава металла сварных швов и наплавок при сварке плавлением

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 G_эп/G_эс 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

Х_мш = γ Х _ом + (1 – γ) Х_эп

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. G_ш/G_нм. 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 (МШ_{1 1}). Если представить второй валик первого слоя состоящим из доли основного металла, доли металла валика МШ_{1 1} и рассчитанной части наплавленного металла, то можно оценить отличие состава МШ_{1 2} от состава МШ_{1 1}и далее МШ_{1 2} до МШ_{1 3}.

Разница составов МШ_{1 1}и МШ_{1 2} может быть значительной, а в дальнейшем отличие МШ_{1 3} от МШ_{1 2} уже незначительно.

Соответственно будут несколько отличаться и составы валиков во втором слое, т. е. МШ_{2 1} и МШ_{2 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.