При точечной, рельефной и шовной сварке сварное соедине­ние образуется из общей ванны жидкого металла в результате кристаллизации. Расплавление металла начинается с централь­ной зоны соед инения и постоянно расширяется к периферии. Рас­плавленный металл удерживается от вытекания в зазор уплот­няющим пояском, где сварка произошла в твердой фазе. На по­верхности металла обычно присутствуют пленки оксидов и остатки загрязнений даже после тщательной зачистки. Все эти неметаллические вещества частично выдавливаются к перифе­рии в начальной стадии нагрева, а часть их распределяется по всему объему литого ядра.

Расплавленный металл литого ядра под действием электро­магнитных сил, возникающих от взаимодействия сварочного тока с его собственным электромагнитным полем, находится в движении и хорошо перемешивается. При этих способах сварки средний химический состав литого ядра не изменяется, так как весь его объем хорошо герметизирован и надежно изолирован от окружающей атмосферы.

После выключения сварочного тока начинается быстрое ох-4 лаждепие металла и возникновение первых центров кристалли­зации на поверхности оплавленных зерен. Преимущественное развитие получают те зерна, ориентация которых наиболее бла­гоприятна для отвода теплоты. Рост зерен идет в форме девдри — тов до взаимной встрече в центре ядра.

При сварке цветных металлов и сплавов на их основе крис­таллизация вследствие большой теплопроводности ид$т с боль-:

щой скоростью. Если эти материалы имеют небольшой темпера­турный интервалкристаллизации, то образуются дендриты. При большом интервале кристаллизации в центре литого ядра появ­ляется область неориентированных кристаллов. Этому способ — ствует. также ликвация во время охлаждения. По мере кристал­лизации расплавленный металл обогащается легирующими при­месями, и его состав приближается к составу эвтектики, а оставшаяся масса металла начинает кристаллизовывагься сра­зу из многих центров. Во время кристаллизации металл затвер­девает как бы в «изложнице», которая образуется массой свари­ваемого металла. Несвободная усадка приводит к образованию рыхлот. Этот дефект устраняется проковкой, которая вызывает термопластическую деформацию еще нагретого металла.

При стыковой сварке сопротивлением детали приводятся в тесное соприкосновенне й деформируются. При этом разруша­ются окисные пленки и пограничные зерна. Искажение кристал­лической решетки приводит к наклепу в приграничной зоне — общему или местному упрочнению металла по отношению к ис­ходному. При нагреве деталей проходящим током до темпера­туры выше 300 °С (для сталей) искажения кристаллической ре­шетки незначительно уменьшаются благод аря аннигиляции пре­имущественно вакансий. Такой процесс называют отдыхом, :шш возвратом. Дальнейший рост температуры выше 400 °С приво­дит к локальному снятию искажений кристаллической решетки. При этом происходит зарождение центров рекристаллизации. Эти центры вырастают до размеров самостоятельных кристал­лов, обладающих минимальным искажением кристаллической решетки и малой плотностью вакансий и дисдокаций.’Процесс восстановления кристаллов без изменения кристаллической ре­шетки называется рекристаллизацией и по А. А. Бочвару проте­кает при Трек> 0,4 Тил. .

При температуре выше температуры рекристаллизации на границе контакта деталей из осколков образуются общие зерна для обоих металлов. Процесс образования совместных зерен называется процессом взаимной или совместной рекристаллиза­ции. Совместная рекристаллизация идет интенсивнее с увеличе­нием температуры и степени пластической деформации.

Процесс роста зерен при температуре выше 950-1000 °С за счет соседних зерен называется собирательной рекристаллиза-

цией.: Если рост зерен идете образованием совместных рекрио таллизованых зерен, принадлежащих одновременно двум соеди­няемым деталям, этот процесс называется совместной рекрис­таллизацией.

Решающее влияние на процесс образования соединения ока­зывают оксидные пленки на торцевой поверхности. Условияраз­рушения и удаления оксидов в зоне сварки зависят от темпера­туры сварки и свойств оксидов.

Нагрев одновременно благоприятно й неблагоприятно влия­ет на образование соединения. С ростом температуры облегча­ется выравнивание поверхностей, ускоряется образование ак­тивных центров (заметно при Т> Трекр), облегчается сохранение прочного соединения после снятия сварочного давления. Небла­гоприятное действие нагрева связано с ускорением Окисления и

трудностью удаления оксидов из стыка, однако высокотемператур­ный нагрев, сопровождаемый оп­лавлением металла или расплавле­нием оксида, может облегчить уда­ление бкеидов из зоны сварки. Однако нагрев до чрезмерно высо­кой температуры может понизить свойства соединения из-за ухудше­ния структуры, разупрочнения ме­талла в зоне термического влияния и т. д. Для каждого металла имеется диапазон оптимальных температур сварки в твердом состоянии, в кото­ром обеспечивается наилучший комплекс свойств соединения. С по­вышением в стали содержания угле­рода температурный интервал свар­ки в твердом состоянии уменьшает­ся (рис. 1.18).

Образование соединения в твер­дом пластическом состоянии не приводит к существенному измене­нию химического состава в зоне сварки.

Рис. 1.19. Схема перемычек расплавленного металла при оплавлении

Процесс оплавления. Основная технологическая роль оплав­ления заключается в нагреве деталей до образования на торцах слоя расплавленного металла, а также соответствующего рас­пределения температур в околошовной зоне для проведения пос­ледующей осадки с целью удаления расплава и оксидов. Это достигается оплавлением (при сварке непрерывным оплавлени­ем) или в сочетании с предварительным подоіревом (при сварке оплавлением с подогревом).

Механизм нагрева при оплавлении обычно представляют следующим образом (рисЛ.19).

При сближении деталей при включенном напряжении и ма­лом давлении между твердыми или жидкими локальными участ­ками поверхности торцов образуются электрические контакты. Нагрев контактов происходит током, который вызывает их бы­строе плавление и образование перемычек из жидкого металла.. Перемычки быстро разрушаются. Длительность существования перемычек обычно не превышает 0,001 — 0,005 с. Форма и раз­меры перемычек определяются действием двух основных проти­воположно направленных сил: сил от поверхностного натяже­ния F„Hi стремящихся при сближении деталей уменьшить зазор Дз, увеличить диаметр перемычки d„ и электромагнитных сил Fc (пропорциональных квадрату сварочного тока), стремящихся сжать. и разорвать перемычку. Сжатие перемычки вызывает уве­личение в ней плотности тока и скорости нагрева. При доста­точно большой плотности тока (например, ~3000 А/мм2, при оп­лавлении низкоуглеродистой стали) металл в центре перемычки переходит в парообразное состояние и вызывает ее взрыв под

действием сил F„. Давление паров в момент взрыва достигает 10-20 МПа, а температура 6000-8000 °С. Расплавленный ме­талл выбрасывается из зазора в виде искр (со скоростями, пре­вышающими 60 м/с), что ведет к укорочению деталей.

Перемычки в стадии их формирования до момента разруше­ния служат источником нагрева околошовной зоны (за счет теп­лопроводности). С увеличением времени существования пере­мычек градиент температуры нагрева деталей снижается, и на­оборот. Разрушение перемычек и выброс нагретого металла за пределы искрового промежутка рассматривают как потерю на — коплешюй тепловой энергии. Разрушение перемычек сопровож­дается образованием на торцах углублений—кратеров. С уве­личением размеров перемычек увеличивается размер кратеров: рельеф поверхности торцов ухудшается.

Между одновременно существующими перемычками, как между проводниками с током одинакового направления, дей­ствуют электромагнитные силы Fe, стремящиеся их сблизить и объединить. Однако из-за быстрого разрушения перемычек этот процесс обычно не успевает завершиться.

Силы/к, вызванные взаимодействием тока в перемычках с электромагнитным полем сварочной машины, способствуют их перемещению в искровом промежутке и выталкиванию из сва­рочного контура.

Для процесса оплавления характерны высокие локальные плотности тока в перемычках и малая средняя плотность тока, отнесенная ко всему сечению деталей,

Оплавление сопровождается характерными электрическими процессами (рис. 1.20). При сближении торцов и образовании од­ного контакта (рис. 1.20, а) напряжение и20 снижается до (точ­ка 1). При увеличении тока /га напряжение «„ = r33iQB несколько возрастает, а затем при взрыве перемычки (точка 2), за счет за­пасенной в электромагнитном поле машины энергии, резко уве­личивается (точка 3), превышая и20. Расход накопленной энер­гии сопровождается снижением напряжения до значения и20 й плавным спадом до нуля. При возникновении очередного еди­ничного контакта процесс повторяется. Обычно при оплавле­нии за полупериод (0,01 с) наблюдается 4-7 пульсаций тока. При этом, если ток снижается до нуля (точка 4), на кривой иэт возни­кают пульсации напряжения, значения которых часто превыша­

ло

Рис. 1,20. Электрические процессы при оплавлении (машина однофазная переменного тока): а) одиночные перемычки

б) несколько одновременно существующих перемычек

ют Мзо — Такой механизм соответствует режиму образования и разрушения одиночных перемычек. Если ток не достигает нуле­вого значения (рис. 1.20, б), пульсации напряжения снижаются. Это указывает на одновременное существование нескольких параллельных перемычек и на неодновременное их разрушение.

При оплавлении деталей больших сечений образуются кон­такты площадью 1000 мм2 и более. Длительность их существо­вания может достигать нескольких полупериодов тока промыш­ленной частоты. Разрушение таких контактов происходит в ос­новном в результате их местного плавления, ори котором жидкий металл под действием электромагнитных сил выдавливается в зазор и кристаллизуется, и лишь небольшая часть металла выб­расывается в результате взрыва. При уменьшении зазора разви­вается вторичное плавление металла, закристаллизовавшегося в зазоре в процессе местного плавления контакта.

При сварке деталей среднего сечения в большинстве случаев ведут сварку непрерывным оплавлением (до 5000 мм2) или оплав­лением с предварительным подогревом (до 10 000 мм2). В первом, случае необходимо вести процесс при минимальном напряжении и^,, однако достаточном для устойчивого оплавления.

Предварительный подогрев облегчает возбуждение оплав­ления, однако при больших сечениях (как и при сварке сопро­тивлением) не обеспечивает равномерности нагрева торцов, а

также требует чрезмерно высокой электрической мощности.

Одним из главных параметров режима стыковой сварки оп­лавлением является скорость оплавления voiul. Она оказывает решающее влияние на температурное поле, равномерность рас­пределения температур, рельеф поверхности торцов, степень окисления металла торцов, качество сварного соединения.

При оплавлении на одну и ту же величину (Д^) увеличение средней скорости приводит к сужению зоны нагрева деталей и увеличению градиента температурйТЛіс, уменьшению времени существования перемычек и более равномерному нагреву тор­цов деталей вследствие их более интенсивного оплавления. В то же время размеры перемычек и кратеров увеличиваются (рельеф поверхности торцов ухудшается). При снижении скорости уве­личивается длительность существования перемычек и глубина прогрева деталей, а градиент температур снижается. Размеры перемычек снижаются, а рельеф поверхности улучшается. Од­нако нагрев торцов становится менее равномерным. Для конк­ретных условий сварки существует некоторая оптимальная сред­няя скорость оплавления, которая обеспечивает наилуЯшие по­казатели качества соединений.

При некоторой постоянной скорости v0[W, которая зависит от теплофизических свойств свариваемых металлов и условий оп­лавления, достаточно каждую деталь оплавить на величину Аопл, чтобы приблизиться к квазистациопарному состоянию, при ко­тором на торцах образуется слой рахлшавленного металла, и даль­нейшее оплавление мало меняет температурное поле.

Наличие между оплавляемыми торцами паров металла и энер­гичное окисление мельчайших его капель, выбрасываемых при взрыве перемычек, снижает содержание кислорода в зазоре и уменьшает окислительную способность газовой среды. С увели­чением интенсивности оплавления содержание кислорода в зоне сварки уменьшается. Оно уменьшается при повышении содер­жания в стали углерода.

Удаление из зазоражидкого металла при осадке приводит к изменению химического состава металла в зоне сварки, прежде всего снижению содержания углерода. Это объясняется перво­очередным плавлением металла с более высоким содержанием углерода (перлитная составляющая) и последующим его удале­нием из стыка при осадке. Снижению содержания углерода и

других легирующих элементов также способствует их выгора­ние в результате большего сродства с кислородом. В результате металл в зоне сварки сильно обедняется углеродом, и при трав­лении на шлифах выявляется белая ферритная полоска.

Наличие зоны частичного расплавления вблизи стыка при­водит к появлению рыхлот, горячих трещин, пор и других де­фектов. Ширина зоны частичного расплавления шире для мате­риалов с большим температурным интервалом кристаллизации (ТИК). В сталях с боЛыцим содержанием углерода ТИК шире. Наличие в стали эвтектик, в первую очередь FeS, расширяет зону частичного расплавления.