Снижение температуры в хвостовой части ванны происходит за счет усиленного теплоотвода в прилегающий холодный металл, так как его масса по сравнению с ванной значительно преобладает. Кристаллы металла начинают формироваться от готовых центров основного металла в направлении ведения сварки и принимают форму кристаллических столбов, вытянутых в сторону, противоположную теплоотводу.
После охлаждения и кристаллизации металла сварочной ванны получается металл сварного шва, соединяющий детали. Поскольку сварной шов образуется за счет расплавления металла электрода и частично основного металла, в зоне сплавления кристаллизуются зерна, принадлежащие как основному, так и присадочному металлу (рис. 3, а).
Рис. 3. Зоны сварного шва (а) и возможные дефекты в нем (б)
Свойства сварного соединения определяются характером тепловых воздействий на металл в околошовных зонах. Зона вблизи границы оплавленной кромки свариваемой детали и шва, содержащая образовавшиеся межатомные связи, называется зоной сплавления. В поперечном сечении сварного соединения она измеряется микрометрами, но роль ее в прочности металла очень велика.
В зоне термического влияния (ЗТВ) из-за быстрого нагрева и охлаждения металла в нем происходят структурные изменения. Следовательно, сварной шов может получиться прочным и пластичным, но из-за термических воздействий на деталь качество сварки в целом будет низким (рис. 3, б).
Величина ЗТВ составляет при ручной электродуговой сварке для обычного электрода 2–2,5 мм, а для электродов с повышенной толщиной покрытия – 4–10 мм. При газовой сварке ЗТВ существенно возрастает – до 20–25 миллиметров.
ЗТВ характеризуется неравномерным распределением максимальных температур нагрева; в этой зоне можно различать участки: старения (200–300 °C); отпуска (250–650 °C); неполной перекристаллизации (700–870 °C); нормализации (840–1000 °C); перегрева (1000–1250 °C); околошовный участок, примыкающий к линии сплавления (1250–1600 °C). При этом возможны два предельных случая: резкая закалка при быстром охлаждении околошовного участка и перегрев при медленном охлаждении с образованием крупных зерен аустенита.
Высокотемпературные фазы железоуглеродистых сплавов подразделяются:
● на феррит (твердый раствор внедрения C в α-железе с объемно-центрированной кубической решеткой);
● аустенит (твердый раствор внедрения C в γ-железе с гранецентрированной кубической решеткой);
● цементит (карбид железа Fe3C, метастабильная высокоуглеродистая фаза);
● графит (стабильная высокоуглеродистая фаза).
Особое значение для процесса сварки сталей и чугунов имеет аустенит. Он не магнитен, сравнительно мягкий, углерода содержит не более 2 %. В равновесном состоянии аустенит существует только при высоких температурах, начиная с 723 °C. Имеет форму полиэдрических зерен, размеры которых увеличиваются в процессе выдержки при высоких температурах.
Всего в настоящее время различают более 150 видов сварочных процессов, под которыми в настоящее время понимают достаточно широкую группу технологических процессов соединения, разъединения (резки) и локальной обработки материалов, как правило, с использованием местного нагрева изделий. Примерами сварочных процессов могут служить: сварка, наплавка, пайка, пайка-сварка, сварка-склейка, напыление, спекание, термическая резка и др.
Сварка плавлением, особенно с применением электрической энергии, на сегодняшний день является наиболее востребованной. По способу нагрева этот вид делится на электродуговую, электрошлаковую, электроконтактную и электронно-лучевую[1]. Соответственно, для нагрева свариваемых кромок металла используются разные источники: электрическая дуга, теплота расплавленного шлака, энергия электронного или лазерного излучения, плазма, печь. Металл шва может образовываться как за счет оплавленных кромок, так и за счет дополнительного присадочного металла. Межатомные связи в таком соединении при сварке плавлением образуются за счет расплавления кромок, смачивания их между собой либо расплавления их присадочным металлом.
Зона вблизи границы оплавленной кромки называется зоной сплавления. Ширина ее очень мала (микрометры), но роль в прочности соединения исключительно велика, ведь именно здесь образуются межатомные связи.
Для всех термических процессов сварки плавлением, независимо от вида носителя энергии, в стык она вводится всегда путем расплавления металла. В термомеханических и механических процессах преобладают внутренние носители энергии, в которых ее преобразование в теплоту происходит главным образом вблизи контакта соединяемых изделий – стыка.
Существует довольно много промышленных технологий соединения металлов помимо рассмотренных выше. Это, например, диффузионная сварка в вакуумной установке с высокотемпературным нагревом, сварка трением (при вращении одной из соединяемых частей свариваемого изделия), сварка взрывом, сварка ультразвуком и др. Впрочем, некоторые виды вполне успешно можно применять и в небольших мастерских.
Экзотермическая (термитная) сварка. Это сварка деталей расплавленным металлом, образованным в ходе химической реакции, сопровождающейся высокой температурой (большим количеством тепла). Основным компонентом этого вида сварки является термитная смесь. Такой способ обеспечивает возможность создания связей на молекулярном уровне для разных материалов без каких-либо внешних источников энергии или тепла: медь – медь; медь – оцинкованная сталь; медь – «черная» сталь; медь – омедненная сталь; медь – нержавеющая сталь; медь – бронза; медь – латунь; и даже сталь – сталь.
Кузнечная сварка. Первый в истории вид сварки. Соединение материалов осуществляется за счет возникновения межатомных связей при пластическом деформировании инструментом (ковочным молотом). В настоящее время в промышленности практически не используется, но поддерживается кустарными промыслами и мелкотоварным производством, в основном для изготовления модных кованых изделий – ворот, оград, предметов интерьера и т. п.
Контактная сварка. При контактной сварке происходят два последовательных процесса: нагрев свариваемых изделий до пластического состояния и их совместное пластическое деформирование. Основными разновидностями такого метода являются точечная контактная сварка и шовная сварка. В промышленности применяют также стыковую сварку сопротивлением, стыковую сварку непрерывным оплавлением и рельефную сварку.
При точечной сварке детали зажимаются в электродах сварочной машины или в специальных сварочных клещах (рис. 4). После этого между электродами начинает протекать большой ток, который разогревает металл деталей в месте их контакта до температур плавления. Затем ток отключается и осуществляется «проковка» за счет увеличения силы сжатия электродов. Металл кристаллизуется при сжатых электродах, и образуется сварное соединение.
Рис. 4. Контактная точечная сварка:
1 – свариваемые детали; 2 – электроды; 3 – усилие сжатия; 4 – сварочная ванна
Другой подвид точечной сварки – шовная сварка. Подача изделия вдоль шва здесь выполняется вращающимися роликами. Через ролики подводится сварочный ток кратковременными импульсами (доли секунд) с небольшими паузами, образуя сварные точки, перекрывающие краями друг друга. Этим создается непрерывность шва. Такой метод применяется для сварки бензобаков, огнетушителей, фляг и т. п.
Чаще всего применяются в быту и мелкосерийном производстве электродуговая сварка и газовые сварка и резка. Они и будут рассмотрены в данной книге наиболее подробно. Но вначале следует определиться со специфической терминологией, применяемой для описания сварочных процессов.
Сварочная терминология
Металлическую конструкцию, изготовленную с помощью сварки из отдельных деталей, называют сварной, а часть такой конструкции – сварным узлом. ГОСТ 2601–84 устанавливает ряд терминов и определений для сварных соединений и швов.
Основной металл – это металл подвергающихся сварке соединяемых частей.
Сварным соединением называют неразъемное соединение, выполненное сваркой. Оно включает в себя сварной шов, прилегающую к нему зону основного металла (ЗТВ), в которой в результате теплового воздействия сварки произошли структурные и другие изменения, и примыкающие к ней участки основного металла.
Наплавкой называется нанесение посредством сварки плавлением слоя металла на поверхность изделия.
Сварной шов представляет собой участок сварного соединения, образовавшийся в результате кристаллизации расплавленного металла сварочной ванны. Сварочная ванна – это часть металла свариваемого шва, находящаяся при сварке плавлением в жидком состоянии. Углубление, образующееся в шве по окончании процесса сварки, называют кратером. Металл, подаваемый в зону дуги дополнительно к расплавленному основному металлу, называют присадочным. Переплавленный присадочный металл, введенный в сварочную ванну или наплавленный на основной металл, называют наплавленным. Сплав, образованный расплавленным основным и наплавленным металлами или только переплавленным основным металлом, называют металлом шва.
Слой сварного шва – это часть металла шва, которая состоит из одного или нескольких валиков, располагающихся на одном уровне поперечного сечения шва. Валик представляет собой металл шва, наплавленный или переплавленный за один проход. Под проходом понимают однократное перемещение в одном направлении источника тепла при сварке и (или) наплавке. Часть сварного шва, наиболее удаленную от его лицевой поверхности, называют корнем. Шов, выполняемый предварительно для предотвращения прожогов при многопроходной сварке или наплавленный в корень шва для обеспечения гарантированного проплавления, называют