Особенности кристаллизации сварочной ванны

В результате воздействия сварочного источника тепла металл расплавляется и образует сварочную ванну – металл, ограниченный изотермической поверхностью Т = Т_пл. Размер и форма ее зависят от параметров режима и вида сварки.

В процессе сварки дуга перемешается вдоль свариваемых кромок и образует подвижную сварочную ванну (рис. 11), в передней части (abc) которой происходит плавление основного и присадочного металла, а в хвостовой части (dkn) – кристаллизация металла. Средняя температура ванны составляет 1700...1850 °С – для АДС и 1600...2000 °С – для РДС.

Рис. 11. Схема распределения температуры по длине L сварочной ванны

По мере продвижения дуги расплавленный металл из головной части ванны под воздействием давления дуги отбрасывается в хвостовую часть ванны, где отвод тепла в холодный основной металл преобладает над притоком. Последнее приводит к затвердению сварочной ванны, в процессе которого по границе сплавления образуются общие кристаллы.

На кристаллизацию металла сварочной ванны оказывают влияние следующие факторы:

1. Наличие в ванне центров кристаллизации в виде зерен оплавившегося основного металла на границе сплавления, карбидов и неметаллических включений.

2. Одновременный с кристаллизацией ввод теплоты в сварочную
ванну движущимся источником тепла, скорость движения которого определяет скорость перемещения фронта кристаллизации.

3. Малый объем и непродолжительное существование расплав-ленной сварочной ванны (1...2 мин), большие средние скорости роста кристаллов.

4. Значительный градиент температур и перегрев металла в центре сварочной ванны.

5. Интенсивное перемешивание металла.

6. Воздействие на кристаллизующийся металл термодеформационного цикла сварки.

В процессе кристаллизации металла шва формируется его первичная структура, определяемая формой, размерами, взаимным расположением кристаллитов, характером дендритных образований и фазовых выделений.

В результате кристаллизации освобождается некоторая энергия – теплота кристаллизации, численно равная скрытой теплоте плавления. Эта теплота отводится через границу раздела твердой и жидкой фаз в более холодное тело, что обусловливает прерывистый характер кристаллизации.

Рост кристаллитов в сварочном шве происходит нормально к фронту кристаллизации, т. е. к изотермической поверхности кристаллизации (ИПК), соответствующей Т_пл (рис. 12). Скорость роста кристаллитов V_кр зависит от скорости сварки V (рис. 13).

Рис. 12. Схема сварочной ванны (I–I – ось кристаллита)

Рис. 13. Схема расчёта скорости кристаллизации

Вектор скорости кристаллизации направлен по нормам к изотерме кристаллизации. V_кр = AB/Dt, где АВ – длина закристаллизовавшегося участка; t – время кристаллизации.

Рассмотрим фигуру ABC. Так как размеры бесконечно малы, можно считать ее прямоугольным треугольником и принять АС = x. Тогда АВ = АС×cosa = Dх×cosa и V_кр = (Dx/Dt)×cosa; так как V = Dх/Dt – скорость сварки, то V_кр = V×cosa.

Тип первичной структуры сплава зависит от формы роста кристаллов и условий охлаждения. Различают 3 типа первичной структуры (рис. 14): ячеистую (а), ячеисто-дендритную (б) и дендритную (в).

Рис. 14. Типы первичной структуры

Первичную структуру сварного шва можно регулировать, используя различные металлургические и технологические приемы. Подавление столбчатой структуры с целью получения равноосных кристаллов в швах осуществляется:

а) введением элементов-модификаторов 1-го рода (Ti, V, Nb, Zr и др.);

б) введением модификаторов 2-го рода поверхностно-активных примесей;

в) введением элементов, образующих избыточные фазы в твердых растворах (a–фазы, первичные карбиды и др.);

г) воздействием на сварочную ванну ультразвуковых колебаний или вибраций, электромагнитного перемешивания металла ванны;

д) термической и термомеханической обработкой, прокаткой сварных швов.

Вторичная структура образуется в результате физико-химических процессов и структурных превращений в твердом состоянии. Важную роль в этом играют полиморфные превращения – переход одного вида кристаллической решетки в другую (a«g).

После кристаллизации из жидкого состояния вторичная кристаллизация (перекристаллизация) в твердом состоянии изменяет картину кристаллического строения – возникают и растут новые зерна, появляются новые границы.

Процесс вторичной кристаллизации для сварных швов металлов с полиморфными превращениями имеет несколько аспектов:

1. В процессе охлаждения после сварки нарушается неблагоприятное строение кристаллов и возникает новая, более мелкозернистая структура.

2. Перегретую после сварки ЗТВ можно вновь сделать мелкозернистой за счет нагрева выше Т полиморфных превращений с последующим охлаждением с необходимой скоростью.

3. При сварке давлением при перекристаллизации в твердом состоянии происходит прорастание новых зерен через бывшую границу раздела и повышение качества сварных соединений.