Причины неизбежного дефектообразования при сварке

Использование любого типа оборудования для сварки, от Esab ручных инверторов до скоростных аппаратов сварочных полуавтоматов, влечет дефектообразование непосредственно в рабочей зоне, а зачастую и в прилегающей к ней областях основного металла. Полностью исключить возникновение дефектов при сваривании термическим образом нельзя – это противоречит физическим законам плавления и кристаллизации металлов. Качественный характер и количественная концентрация дефектных очагов зависят от многих факторов, основными являются:

• Интенсивность температурного нагрева;
• Характер и длительность взаимодействия твердой и жидкой фазы свариваемого металла;
• Химический состав кристаллизующегося шва;
• Влияние газов, паров, флюсов и шлаков на расплав;
• Структурные превращения в ЗТВ под влиянием дугового процесса.

В целом за стремительной работой дугового оборудования для сварки скрывается сложный процесс, который крайне трудно проанализировать досконально даже в условиях вычислительных возможностей XXI века. Инверторные сварочные аппараты Esab или EWM заваривают швы быстро и (казалось бы) непринужденно – а с точки зрения физики каждое сварное новообразование проходит при своем формировании несколько этапов. Предварительный подогрев, достижение точки плавления, расплав с одновременным испарением и разбрызгиванием, фаза жидкого металла, ее кристаллизация и застывание – эти процессы не просто следуют один за другим. В различных областях сварной зоны они происходят одновременно, с наложением друг на друга. Создание скрупулезной картины сваривания металлов с подробнейшим моделированием всех термических процессов сродни общей теории поля – задача нужная, но избыточно сложная в решении. Поэтому для нужд практической минимизации дефектообразования их появление рассматривают отдельно для каждой основной стадии:

• Фаза расплава. При плавлении металл в жидком состоянии поглощает газы – как атмосферные, так и входящие в состав электродного материала, флюсов, окислов, присадочных элементов и легирующих составов. На склонность шва к дефектообразованию сильнее всего влияют распространенные двухатомные газы – водород, азот и кислород. Газовому насыщению расплава способствует высокие температуры в рабочих областях, большая поверхность такого теплообмена (читай – широкие швы и/или обширные площади наплавляемого металла), необходимость перемешивания расплава при некоторых видах сварочных работ и воздействие электромагнитных полей на ЗТВ. Упомянутые факторы усиливают газонасыщение сварочной ванны и увеличивают вероятность появления дефектов – прежде всего, пузырьково-полостного вида.
• Стадия межфазного взаимодействия. Сварка чистых металлов встречается достаточно редко, обычно этому процессу подвергают сплавы. Скажем, для стали многокомпонентный состав – залог конструктивной прочности и эксплуатационных качеств. Но и при сваривании «условно-чистых» изделий в составе шва имеются элементы электродных сердечников, обмазки, термических оксидов, окалины, шлака и флюса – т.е. процесс в любом случае будет химически сложным. Очагами возникновения дефектов становятся не только атомы N и O, но и неметаллические включения в ЗТВ, особенно оксиды, нитриды и соединения углерода с кислородом. Стадия межфазного взаимодействия склонна к дефектообразованию ввиду снижения растворимости оксидов и нитридов по мере убывания температуры – ситуация зеркально противоположна пп. 1. Поэтому трещины (один из опаснейших сварочных дефектов) и могут возникать на самой границе зоны термического воздействия, а потом изделие трескается не по шву, а по прилегающей к нему области основного металла.
• Фаза кристаллизации. При застывании и охлаждении готовых швов и стыков возникает химическая неоднородность между зоной сплавления и пограничными участками (кромками). Подобная неоднородность становится причиной серьезного снижения прочностных качеств сварных новообразований, а устранить ее не представляется возможным ввиду самого принципа дуговой сварки. Все имеющиеся модели оборудования, устаревшие трансформаторы и новейшие инверторные аппараты, сварочные полуавтоматы тут имеют схожий принцип воздействия на расплав – процесс кристаллизации завершается раньше, чем «выравнивание» химического состава ванны расплава. Теплопроводность типовых сплавов столь высока, что не позволяет диффузионным явлениям перемешать расплав. Исключение составляет работа под толстым слоем флюса, когда кристаллизация шва среднего сечения происходит за несколько минут.

На образование дефектов при сварке металлов также влияет и взаимодействие основного сплава с образующимся шлаком, специфика прогрева заготовок и склонность материала к структурному изменению под влиянием высоких температур. Минимизация пор, посторонних включений, трещин, лакун, кратеров – важная задача прикладной сварочной науки.

Информация предоставлена интернет-гипермаркетом сварочного оборудования Тиберис - tiberis.ru