Кристаллизация металла (рис. 24, 25) сварочной ванны начинается у границы с нерасплавившимся основным ме­таллом в зоне сплавления. Различают кристаллизацию пер­вичную и вторичную. Первичной кристаллизацией называ­ют процесс перехода металлов и сплавов из жидкого состо­яния в твердое. У металлов, не имеющих аллотропических превращений, процесс затвердевания и охлаждения исчер­пывается только первичной кристаллизацией. У металлов и сплавов, имеющих аллотропические формы или моди­фикации, после первичной кристаллизации при дальней­шем охлаждении происходит вторичная кристаллизация ме­талла в твердом состоянии при переходе из одной аллотро­пической формы в другую.

Первичная кристаллизация металла сварочной ванны протекает периодически, что обусловлено периодичностью снижения теплообмена и выделения скрытой теплоты кри­сталлизации. Это приводит к слоистому строению металла шва, к появлению зональной и дендритной ликвации. Тол­щина закристаллизовавшихся слоев зависит от объема сва­рочной ванны и скорости охлаждения металла и колеблет­ся в пределах от десятых долей миллиметра до нескольких миллиметров. Зональная (слоистая) ликвация выражается неоднородностью химического состава металла шва в пе­риферийной и центральной зонах. Это является следстви­ем того, что металл периферийных зон затвердевает раньше и поэтому содержит меньше примесей. Металл централь­ной зоны шва оказывается более обогащенным примесями. Дендритная ликвация характеризуется химической неодно­родностью кристаллитов. Первые кристаллиты (централь­ные и начальные части дендритов) содержат меньше при­месей, а междендритное пространство оказывается более загрязненным примесями.

Улучшая условия диффузии ликвирующих примесей в твердом металле, можно значительно снизить как слоис­тую, так и дендритную ликвацию. Например, увеличивая скорость охлаждения металла, сокращают длительность двухфазного состояния металла сварочной ванны и этим снижают степень неоднородности состава жидкой и твер­дой фаз металла шва.

Большое значение имеет температурный интервал на­чала и конца кристаллизации (рис. 26, а). Чем меньше тем­пературный интервал кристаллизации, тем ниже уровень ликвации. Например, в сталях низкоуглеродистых, имею­щих температурный интервал кристаллизации 25—35°С, ликвация незначительна. С увеличением содержания угле­рода в стали температурный интервал кристаллизации воз­растает, а степень ликвации повышается.

Вторичная кристаллизация металла происходит при даль­нейшем охлаждении твердого металла в виде изменений форм зерен при аллотропических изменениях в металле шва. Она в значительной степени зависит от химического состава метал­ла, скорости охлаждения и других факторов.

Теплота, выделяемая дугой при сварке, распространя­ется на основной металл. При этом по мере удаления от границы сплавления скорость и максимальная температу­ра нагрева металла снижаются. Вследствие этого в зоне основного металла в зависимости от температуры нагрева происходят фазовые и структурные изменения, которые влияют на прочность сварного соединения. Зону основного металла, прилегающую к сварочной ванне, называют зо­ной термического влияния (рис. 26, б).

в

Рис. 26. Термический цикл и схема изменения структуры и свойств сварного соединения низкоуглеродистой стали при однопроходной сварке: а — распределение максимальных температур; б — схема изменения структуры; в — изменение твердости; г — термические циклы в характерных точках соединения

Участок неполного расплавления 1 является важным участком зоны, так как здесь происходит сращивание ос­новного и наплавленного металлов и образование общих кристаллов. Участок представляет собой узкую полосу, измеряемую десятыми, а иногда и сотыми долями милли­метра в зависимости от способа сварки.

Участок перегрева 2 включает в себя металл, нагревае­мый до температуры, близкой к температуре плавления. Этот участок характеризуется крупнозернистой структурой. Перегрев, как правило, снижает механические качества металла (пластичность, вязкость). Перегрев стали может вызвать образование крупнозернистой игольчатой структу­ры с низкими механическими показателями. Это явление характерно для сталей с большим содержанием углерода. Участок перегрева особенно опасен для сталей, склонных к образованию закалочных структур.

Участок нормализации3 включает металл, нагреваемый до температуры более 900°С. При нагреве и охлаждении металла на этом участке происходят перекристаллизация и значительное измельчение зерна. Металл участка приобре­тает высокие механические качества.

Участок неполной перекристаллизации 4 включает ме­талл, нагреваемый до температуры выше 725°С. Металл участка состоит из крупных зерен, не прошедших перекри­сталлизацию, и скопления мелких зерен, прошедших пере­кристаллизацию. Это объясняется тем, что теплоты, полу­ченной металлом, недостаточно для его полной перекрис­таллизации. Механические качества металла участка в свя­зи с такой смешанной структурой невысокие.

Участок рекристаллизации 5 включает металл, нагре­ваемый выше температуры 500°С. На этом участке струк­турные изменения в металле не происходят, если только он перед сваркой не подвергался обработке давлением. Если же металл перед сваркой подвергался пластическим дефор­

мациям, то на этом участке наблюдается восстановление прежней формы и размеров зерен металла, разрушенных при обработке давлением.

Участок синеломкости 6 по структуре металла не отли­чается от основного. Однако металл участка имеет несколь­ко пониженные пластичность и вязкость, а также большую склонность к образованию трещин.

Ширина зоны термического влияния зависит от вида, способа и режима сварки — при ручной дуговой сварке она равна 2,5—6 мм, при механизированной сварке под флю­сом — 2,5—4 мм, при сварке в защитных газах — 1—2,5 мм.

На механические свойства низкоуглеродистой стали сварка оказывает незначительное влияние. При сварке же конструкционных сталей в зоне термического влияния мо­гут происходить структурные изменения, снижающие ме­ханические показатели сварного соединения. При этом в металле шва образуются закалочные структуры и даже тре­щины.