Сварной шов при дуговой сварке формируется путем кристал­лизации расплавленного металла сварочной ванны. Кристал­лизацией называют процесс образования кристаллов метал­ла из расплава при переходе его из жидкого в твердое состоя­ние. Образующиеся при этом кристаллы металла принято называть кристаллитами.

Сварочная ванна условно может быть разделена на две области: переднюю (головную) и заднюю (хвостовую). В передней части горит дуга и происходит нагревание и расплавление металла, а в хвостовой — охлаждение и кристаллизация расплава. В процессе образования шва различают первичную и вторичную кристал­лизации. Первичной кристаллизацией называют не­посредственный переход металла из жидкого состояния в твердое с образованием первичных кристаллитов (зерен). Она происходит при высоких скоростях охлаждения и затвердевания. Теплота отводится в основной металл, окружающий сварочную ванну. В общем виде процесс кристаллизации состоит из двух стадий: обра­зования центров кристаллизации (зародышей) и роста кристаллов от этих центров. При первичной кристаллизации металла шва в качестве центров кристаллизации являются поверхности оплавлен­ных зерен основного металла, окружающих сварочную ванну. При этом между основным металлом и металлом шва возникают общие іерна. Условную поверхность раздела между зернами основного металла и кристаллитами шва называют зоной сплавления при сварке.

В процессе затвердевания в расплаве могут появляться и новые центры кристаллизации —тутоплавкие частицы примесей, об­ломки зерен и т. п.

При многослойной сварке центрами кристаллизации являются поверхности выросших кристаллитов предыдущего слоя. Рост кристаллитов происходит в результате присоединения к их повер­хности отдельных атомов из окружающего расплава. В зависимости от формы и расположения кристаллитов в строении затвердевшего металла шва различают столбчатую и зернистую структуру. При столбчатой структуре кристаллиты имеют определенную ориен­тированность — вытянуты в одном направлении, противополож­ном направлению теплоотвода. В свою очередь, столбчатые кристаллиты сами могут иметь ячеистое, ячеисто-дендритное или дендритное строение. При ячеистом строении столбчатый кристаллит растет от поверхности общего центра в виде пачки гонких кристаллов, расположенных в пределах одного зерна и ориентированных в одном направлении. Это наблюдается при высокой скорости отвода теплоты. По мере снижения скорости теплоотвода характер строения его изменяется, переходя к ячеисто­дендритной и дендритной форме. При дендритном строении в кристаллите помимо осей первого порядка получают развитие и оси второго и третьего порядков.

При зернистой структуре металла шва кристаллиты не имеют определенной ориентировки, а по форме напоминают много­гранники. Такая структура обычно характерна для основного ме­талла, а также может встречаться в швах с большим объемом сварочной ванны и при малых скоростях охлаждения расплава. Поэтому за кристаллизовавшийся металл шва в большинстве слу­чаев имеет столбчатое строение. В зависимости от условий сварки размеры столбчатых кристаллитов изменяются в широких пределах. При дуговой сварке их размер в поперечном сечении обычно порядка 0,3—3,0 мм.

Первичная кристаллизация металла сваргчной ванны носит прерывистый характер. После начала кристаллизации через неко­торое время происходит задержка в росте кристаллитов в связи с выделением скрытой теплоты плавления металла. По мере отвода теплоты процесс роста вновь убыстряется до следующей задержки. Так повторяется до полного затвердевания всей ванны. В результате этого сварные швы имеют характерное слоистое строение (рис. 6.2). Толщина кристаллизационных слоев измеряется в пределах от десятых долей от нескольких миллиметров в зависимости от объема ванны и условий теплоотвода. Столбчатые кристаллиты каждого

ПОСЛЄД}ТОЩЄГО СЛОЯ ЯВЛЯЮТСЯ

продолжением кристаллитов предыдущего слоя. В итоге образующиеся кристаллиты как бы прорастают из слоя в слой.

Характер получаемой струк­туры и расположения крис­таллитов в металле шва во мно­гом определяются формой сварочной ванны и схемой ее кристаллизации. Кристаллиты растут перпендикулярно грани­це сплавления в направлении, противоположном отводу теп­лоты. При кристаллизации сва­рочной ванны с узким, глу­боким проплавлением кристал­литы растут от противополож­ных стенок навстречу друг другу. При этом перед фронтом кристаллизации накапливаются различного рода примеси. В резуль­тате по оси шва, в месте стыка вершин кристаллитов, растущих с противоположных сторон ванны, образуется область ослабления, в которой могут располагаться разные включения (рис. 6.3, а). При затвердевании широкой сварочной ванны с небольшим проплав­лением схема кристаллизации существенно отличается — кристаллиты соприкасаются не вершинами, а боковыми гранями, а примеси, концентрирующиеся перед фронтом кристаллизации, вытесняются на поверхность шва в виде шлаков. Такие швы более устойчивы против образования трещин (рис. 6.3, б).

‘ В процессе кристаллизации состав жидкого металла ванны непрерывно изменяется. Поэтому одновременно с кристаллизацией в нем развиваются диффузионные процессы, стремящиеся к одно­родному составу металла как внутри кристаллитов, так и между затвердевшими кристаллитами и еще оставшимся жидким распла­вом. Однако из-за различия скоростей роста кристаллитов и про-

цессов диффузии, являющихся более медленными, полного вы­равнивания состава не происходит. Это приводит к возникновению нс равномерности в распределении элементов сплава свариваемого ні на — химической неоднородности металла шва. Различают мак­роскопическую и микроскопическую неоднородность. Первый вид характеризуется неравномерностью состава в отдельных областях металла по сечению шва (зональная ликвация). При микро­скопической неоднородности наблюдается неравномерность соста­ва металла в пределах отдельных кристаллитов (микроскопическая ликвация). За счет ликвации создается химическая неоднородность металла шва. Преимущественное развитие в сварных швах обычно имеет внутридендритная неоднородность Интенсивность прояв­ления ликвационных процессов зависит от условий сварки. Чем больше скорость затвердевания металла, тем в меньшей степени проявляется ликвация. Вид и степень химической неоднородности оказывают существенное влияние на свойства металла шва. стой­кость его против образования трещин и др.

Изучение и анализ строения металла шва проводят путем выяв­ления его кристіїллического строения на специально приготовлен­ных шлифах поперечных и продольных сечений. При этом раз­личают понятия «макроструктура» и «микроструктура». Макро­структурой называют строение металла шва, выявляемое при осмотре невооруженным глазом или при небольших увеличениях с помощью луп или бинокулярных микроскопов. При этом удается выявлять общий характер строения металла (столбчатое, зернистое), форму провара, наличие дефектов (поры, трещины, включения ит. п.). Микроструктура металла шва характеризует его тонкое строение, выявляемое на шлифах с помощью металло - 1 рафических микроскопов с высокой степенью увеличения (стро­ение кристаллитов, наличие внутридендритной ликвации, микро­дефектов).