Наряду с рассмотренными выше общими закономерностями первичная кристаллизация сварочной ванны имеет ряд специ­фических особенностей.

Установившийся процесс воздействия движущегося высоко­температурного источника нагрева (сварочной дуги) на про­плавляемый металл приводит к образованию сварочной ванны (рис. 1.3). В ней одновременно совмещены процессы плавле­ния, металлургической обработки, легирования, переноса ве­щества и кристаллизации [72, 151]. Объемы металла относи­тельно малы и значительно перегреты по сравнению с темпе­ратурой начала кристаллизации [39, 113, 115, 126].

Температурное поле сварочной ванны и примыкающего к ней основного металла неоднородно [39, 115, 133] и характери­зуется высокими температурными градиентами [44]. Сварочную ванну условно разделяют на два участка — плавления и крис­таллизации [42, 44, 164]. Первый, соответствующий преобла­данию подвода тепла, схематично представлен участком,0,'(,") на изотерме 1 = L (рис. 1.3). Второй, где преоблада­ет теплоотвод, соответствует участку, a,'(,") на той же изо­терме.

В точках,, ,’, ,", лежащих на указанных профилях грани­цы раздела фаз, скорости подвода и отвода тепла одинаковы.

Равенство тепловых потоков в зоне указанных точек приво­дит к остановке границы раздела фаз. Время остановки, вы­численное автором [97] по схеме точечного источника нагрева применительно к условиям ручной дуговой сварки, составляет 0,1—0,4 с. Взаимодействие между фазами различного состава в течение указанного промежутка времени приводит к диффузи­онному выравниванию концентрации элементов в зоне контак­та [67, 80, 97].

Развитие первичных кристаллов металла шва, состоящих из блоков одинаково ориентированных ячеек или дендритов [49, 167], начинается от оплавленных источником нагрева зе­рен основного металла [5, 11, 96, 151], т. е. носит эпитаксиаль­ный характер [198]. Зависимость размеров первичных крис-

image179

Рис. 1.3. Профиль сварочной ванны:

t — в горизонтальной плоскости, ■ — в вертикальной плоскости

таллов металла шва от размеров оплавленных зерен особенно четко проявляется в случае одинакового их химического соста­ва [49, 151]. При этом между ними существует преемствен­ность кристаллографического характера [162, 198], приводящая к первоначальному развитию кристаллитов в отличающихся направлениях [49]. Оплавленные зерна основного металла иг­рают роль центров кристаллизации [11, 162].

Одновременный нагрев передней части сварочной ванны перемещающимся источником нагрева и охлаждение хвостовой ее части со стороны закристаллизовавшегося металла приво­дит к реализации пропорциональной зависимости скорости кристаллизации от скорости сварки, которая выражается уравнением [164]

v к = v св cos а, (1.8)

где v св — скорость линейного перемещения источника нагрева; а — угол между направлением роста кристалла в каждый оп­ределенный момент кристаллизации и направлением переме­щения источника тепла.

Согласно (1.8) следует, что максимальные значения скоро­сти кристаллизации реализуются в центральных участках сварочной ванны (рис. 1.2, точка t), а минимальные — в пери­ферийных (см. рис. 1.2, точки,, ,’, ).

Перемещение источника нагрева, например, в направлении I приводит к нарушению симметрии температурного поля, благодаря этому в головной части сварочной ванны и примы­кающем к ней твердом металле реализуются максимальные температурные градиенты, а в хвостовой — минимальные [39, 115, 150]. Указанные изменения температурного поля показаны схематично на рис. 1.3.

При неизменном характере распределения примеси перед всеми точками фронта кристаллизации должно оставаться одинаковым и распределение равновесной температуры начала кристаллизации. В этих условиях наибольший уровень кон­центрационного переохлаждения достигается в расплаве перед точкой $ [122, 124, 125, 162], а минимальный — перед, [124, 125, 159]. Изображенная концентрация описывается аналити­чески неравенством [49, 157]

G < тСрО — k0) (1 9)

v^cosa Dk0

В соответствии с изменениями величины (ширины зоны) концентрационного переохлаждения перед различными точка­ми фронта кристаллизации должны изменяться как морфоло­гия фронта кристаллизации (плоский или ступенчатый), так и форма кристаллитов (ячеистая, дендритная) [198].

Поскольку первичные кристаллиты развиваются в направ­лении, обратном максимальному теплоотводу, т. е. перпендику­лярно мгновенному положению фронта кристаллизации [29, 164], то изменение кривизны последнего должно привести к дальнейшему развитию кристаллита в направлении, отличном от первоначального [126]. Траектории развития кристаллитов от зоны сплавления (точки,, ,’, ,") к центру шва показаны стрелками на рис. 1.4. Развитие кристаллитов, показанное на рис. 1.4, $, ■ , характерно для относительно малых скоростей сварки (кристаллизации). Как показали авторы работы [126], при увеличении скорости сварки характер развития первич­ных кристаллов изменяется последовательно от показанного на рис. 1.4, $, , к показанному на рис. 1.4, %о, А.

Поскольку увеличение скорости сварки, при прочих равных условиях, приводит к дальнейшему росту градиента темпера­тур в головной части сварочной ванны и уменьшению — в хво­стовой [150], то уровень концентрационного переохлаждения расплава должен возрастать перед фронтом кристаллизации, особенно перед точкой $, и уменьшаться перед,, ,’, ," (см. рис. 1.4). Необходимо отметить, что аналогичным образом из-

image180

Рис. 1.4. Влияние скорости снарки на характер роста иерничиых кристаллитон:

1, ,, % — в горизонтальной плоскости; „, А — в вертикальной плоскости меняется концентрационное переохлаждение перед каждым из множества кристаллитов по мере их развития от зоны сплав­ления к центру шва. Указанным изменениям концентрационно­го переохлаждения способствует то обстоятельство, что наибо­лее интенсивная концентрация реализуется в расплаве у боко­вых кромок, а минимальная — в хвостовой части сварочной ванны, причем она быстро затухает с увеличением скорости сварки [177].

Повышение уровня концентрационного переохлаждения стимулирует прорастание в глубь расплава, что, в свою очередь, способствует развитию дендритной ликвации элемен­тов, снижающих температуру плавления сплава [49, 128, 144, 198].

Возвращаясь к уравнению (1.8), отметим, что оно характе­ризует лишь среднюю линейную скорость роста первичных кристаллов в зависимости от их положения на фронте крис­таллизации. В реальных условиях скорость кристаллизации изменяется не так монотонно, как это следует из указанного уравнения. Например, кратковременные нарушения монотонно­сти могут быть вызваны изменениями эффективной тепловой мощности дуги [177], связанными с характером переноса элек­тродного металла через дуговой промежуток или наложением на дугу импульсов тока [116], периодичным поступлением пе­регретого металла в хвостовую часть сварной ванны [1, 17], выделением скрытой теплоты кристаллизации [67, 96, 115, 126].

При больших скоростях охлаждения сварочной ванны, когда в расплаве перед границей раздела фаз существует значи­тельный по величине температурный градиент, интенсивное выделение теплоты кристаллизации приводит к нарушениям теплового баланса и остановкам фронта кристаллизации [67]. Это явление вызывает слоистую концентрационную неодно­родность сварных швов, особенно сильно проявляющуюся при кристаллизации сварочных ванн малых размеров [17, 68, 80]. В случае ванн больших размеров такая неоднородность прояв­ляется в меньшей степени и возникает лишь у зоны сплавле­ния [17, 67]. Авторы работ [67, 80, 97] отмечают сходство в образовании слоистой неоднородности сварных швов и разви­тии неоднородности в зоне сплавления.

Помимо уже рассмотренных видов химической неоднород­ности реализуется и зональная неоднородность, проявляю­щаяся в повышении концентрации элементов в центральной верхней части сварных швов [81, 151, 157]. Зональная лик­вация в металле шва значительно меньше выражена, чем дендритная и слоистая [151], иногда ее вовсе нельзя обнару­жить [17].