Энергия теплового источника (электрической дуги, газового пламени и т. п.) расходуется на нагрев металла детали, на расплавление электрода или присадочного материала, на плавление защитного флюса (покрытия электрода) и на тепловые потери. Распределение температуры в свариваемом металле зависит от мощности источника тепла, физических свойств металла (теплоемкость, температура плавления и др.), размеров конструкции, скорости перемещения и т. д.
На рис. 2 показаны изотермы – овальные кривые, сгущающиеся впереди движущегося при сварке источника тепла (электрической дуги, пламени горелки). Изотерма 1600 °C – это температура плавления стали, она определяет ориентировочный размер сварочной ванны. Изотерма 1000 °C указывает на зону перегрева металла, изотерма 800 °C показывает зону закалочных явлений, а 500 °C – зону отпуска.
Рис. 2. Схема изотерм при сварке
Затвердевание расплавленного металла, происходящее в хвостовой части ванны, называется кристаллизацией. Динамика этого процесса такова: сварочная дуга, направленная в головную часть ванны, повышает в этой области температуру, в результате чего происходит плавление основного и электродного металлов. Механическое давление, оказываемое дугой на жидкую фазу основного и дополнительного металлов, вызывает их перемешивание и перемещение в хвостовую часть ванны. Таким образом, давление, вызванное дугой, приводит к вытеснению металла из основания ванны и открывает доступ к следующим слоям, где поддерживается необходимая для плавления температура. По мере удаления металла от зоны плавления отвод тепла начинает преобладать над его притоком, и температура жидкой фазы снижается. Расплавленные фазы основного и электродного металлов перемешиваются между собой и, затвердевая, образуют общие кристаллы, что обеспечивает монолитность сварного соединения.
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.
