Силы, действующие в сварочной дуге на каплю электродного металла, их общая характеристика.

Основными силами, действующими на каплю и влияющими на характер ее формирования и переноса, являются силы: тяжести, поверхностного натяжения, электромагнитные, реактивного давления газов, давления газовых потоков дуги.

Сила тяжести может способствовать или препятствовать переносу капель в дуге. При нижнем - по отношению к электроду - положении свариваемой детали сила тяжести способствует отрыву капель от торца плавящегося электрода и переносу ее в шов. При потолочном положении электрода, когда свариваемая деталь и шов находятся сверху, сила тяжести капли наоборот противодействует ее переносу.

Сила поверхностного натяжения стремится уменьшить величину поверхности жидкой капли, придать ей форму шара и удержать каплю на торце электрода (сила поверхностного натяжения удерживает также сварочную ванну от вытекания при расположении шва сверху, над электродом). Величина поверхностного натяжения жидкого металла оказывает значительное влияние на характер переноса. Увеличение поверхностного натяжения при прочих равных условиях способствует увеличению размеров капель, образующихся на торце электрода и перетекаемых через дуговой промежуток.

Электромагнитная сила обусловлена взаимодействием проводника с током и магнитным полем, создаваемым этим током. Если сечение электрического проводника с током постоянно, то возникающие в нем электромагнитные силы направлены по радиусу к оси проводника и стремятся его сжать (пинч-эффект). Если сечение по длине проводника изменяется, то появляется осевая составляющая пинч-эффекта, направленная от меньшего сечения к большему. Рассматривая образующуюся в сварочной дуге цепь "электрод – капля - активное пятно - столб дуги" как электрический проводник, можно увидеть изменение сечения у этого проводника в различных участках. Наиболее характерным является переход от электрода к жидкой капле, в котором из-за большой разницы в сечениях появляется значительная электромагнитная сила, пропорциональная квадрату протекающего тока, способствующая отделению капли от электрода и переносу ее в сварочную ванну.

Сила реактивного давления газов возникает за счет испарения металла с поверхности капли и образования газов в результате химического взаимодействия жидкого металла с окружающей его фазой (газом, шлаком). Испарение металла происходит главным образом в области активных пятен дуги. Как правило, действие реактивного давления газов способствует удержанию капли на торце электрода, ее росту и деформации.

Сила давления газовых (плазменных) потоков дуги направлена от электрода к свариваемой детали. Она способствует отрыву капли и переносу ее в сварочную ванну. Сила воздействия потока плазмы на каплю зависит от его массы и скорости.

Следует отметить, что современное состояние сварочной техники позволяет активно управлять процессами переноса металла через дугу. Это достигается, например, применением импульсно-дуговой сварки.

Холодные трещены в сварных соединениях. Механизм образования трещин в зоне термического влияния. Меры, направленные на снижение склонности сварных соединений к образованию холодных трещин.

Трещины являются наиболее опасным дефектом сварных соединений. Появление трещины в большинстве случаев фактически означает начало разрушения сварной конструкции. Возникающие в сварных соединениях трещины, исходя из температурного интервала и природы их образования, можно разделить на три группы: горячие (кристаллизационные), холодные и ламелярные.

Холодные трещины образуются по окончании сварки или после наложения отдельных слоев (валиков) шва, когда температура в зоне сварного соединения оказывается ниже 150 – 250 °С. Трещины возникают преимущественно в зоне термического влияния и реже - в металле шва сталей, имеющих после сварки закалочные структуры. При этом трещины могут появляться по истечении некоторого времени после остывания сварного соединения и затем медленно, на протяжении нескольких часов и даже суток, распространяться в металле. По своему расположению трещины могут быть продольными и поперечными, не всегда выходить на поверхность, закрытыми и небольшой протяженности. Холодные трещины отличаются от горячих, прежде всего тем, что они неокисленные, менее разветвленные и менее раскрытые.

Механизм образования холодных трещин можно описать следующим образом. В процессе охлаждения металла после сварки в зоне термического влияния закаливающихся сталей образуются в заметном количестве структуры мартенсита и бейнита, а также сложное напряженное состояние, обусловленное суммированием сварочных и структурных напряжений. Такие закалочные структуры, особенно на участке перегрева, отличаются хрупкостью и, как следствие, низкой сопротивляемостью раскрытию и распространению трещин. Известно, что критическое напряжение, требуемое для развития и вывода из «зародышевого» состояния трещины, у хрупких и малопластичных металлов в несколько раз меньше, чем у материалов, способных к пластической деформации. Таким образом, структура сварного соединения, содержащая в зоне термического влияния хрупкую фазу, готова к восприятию и развитию трещин в случае их зарождения и образования в местах залегания фазы.

Одновременно с формированием закалочных структур и растягивающих напряжений в процессе сварки происходит насыщение расплавленного металла водородом, являющимся продуктом разложения попадающей в зону сварки влаги. В зависимости от типа и марки применяемых электродов и условий сварки концентрация диффузионного водорода в металле шва составляет от 1 до 40 мл/100 г (в основном металле диффузионной водород практически отсутствует). В результате перемещения диффузионного водорода из металла шва в основной металл его содержание в зоне термического влияния вблизи линии сплавления оказывается повышенным. Здесь диффузионный водород, попадая в микропустоты, которыми могут быть дислокационные узлы и другие несовершенства кристаллического строения металла, поверхности частиц твердых включений и второй фазы (карбидов, нитридов, сульфидов и пр.), выделяется из раствора и превращается из атомарного в молекулярный. Вследствие постоянного дальнейшего притока диффундирующего водорода в пустоты образуется водородный «пузырь», давление в котором с течением времени повышается и может достигать столь больших величин, при которых «пузырь» надрывается и даст начало локальной трещине (давление молекулярного водорода в «пузыре» при нормальной температуре может достигать нескольких тысяч МПа). Зарожденная водородным «пузырем» трещина в случае ее образования в хрупких напряженных закалочных структурах получает свое развитие в благоприятных для этого условиях и может распространяться в холодном металле вплоть до выхода на поверхность.

Из изложенного становится очевидным, что для образования холодных трещин в сварном соединении должны существовать следующие условия:

а) в зоне термического влияния (или металле шва) при охлаждении должны образовываться хрупкие закалочные структуры (мартенсит, бейнит), чувствительные к водороду;

б) в зоне сварного соединения должен быть определенный минимум диффузионного водорода, источником которого является главным образом металл шва;

в) на участке сварного соединения должны действовать растягивающие остаточные напряжения.

Многие стали, особенно конструкционные высокой прочности и теплоустойчивые, при ручной дуговой сварке склонны к образованию холодных трещин. Предотвратить их образование можно следующими мерами:

а) снижением общей жесткости сварного узла или конструкции (что обычно требует серьезного изменения конструктивных решений, которые трудно осуществить);

б) снижением содержания диффузионного водорода в металле шва посредством максимального уменьшения количества влаги, способной попадать в зону дуги при сварке (высокотемпературная прокалка электродов с основным покрытием перед сваркой с последующим размещением их в термопеналах и пеналах-термосах, тщательная очистка свариваемых кромок и прилегающего к ним металла от ржавчины и других загрязнений и пр.), связыванием образующегося при сварке водорода в нерастворимые в жидкой стали соединения, например фтористый водород, использованием продолжительного (10-12 ч) нагрева сварных соединений при температуре 150 - 200°С непосредственно после окончания сварки (термического отдыха), способствующего выходу водорода в окружающую атмосферу;

в) применением технологии сварки, исключающей получение в недопустимом количестве хрупких закалочных структур за счет снижения скорости охлаждения металла шва и зоны термического влияния после сварки, что достигается (посредством увеличения эффективной погонной энергии, а также подогревом металла и контролем теплового режима сварки.