Сварка плавлением — это процесс соединения двух деталей или заготовок в результате кристаллизации общей сварочной ванны, полученной расплавлением соединяемых кромок. Этот процесс наиболее распространен в сварочной технике.

Нагреть металл соединяемых кромок изделия выше температуры плавления для образования сварочной ванны можно только в том случае, если источником энергии вводится в зону сварки теплоты гораздо больше, чем отводится за это же время процессами охлаждения.

Основная часть теплоты уходит на нагрев холодного изделия, так как теплопроводность металлов очень высокая. Кроме того, большое количество теплоты теряется излучением в окружающую среду.

Поэтому источник энергии при сварке плавлением должен быть большой мощности, высокой сосредоточенности, т. е. концентрировать выделяющуюся энергию на малой площади сварочной ванны и успевать расплавлять все новые и новые порции металла, обеспечивая этим определенную скорость сварки.

Из всех источников энергии, применяемых при сварке плавлением, наибольшей плотностью энергии обладает электронный луч (10⁹ Вт/см²).

Однако наиболее широкое применение в качестве источников энергии для сварки плавлением получил дуговой электрический разряд, или электрическая дуга. Это связано с тем, что для возбуждения электронного луча требуется вакуум 10^-4—10^-5 мм рт. ст.; кроме этого, применение электронного луча для сварки связано с разработкой специальной аппаратуры, высоким напряжением (~20 кВ) и с необходимостью защиты обслуживающего персонала от опасного рентгеновского излучения.

Поэтому его используют для специальных целей, главным образом для сварки тугоплавких и химически активных металлов.

Пламя ацетилено-кислородной горелки находит более ограниченное применение, главным образом при ремонтных работах.

Итак, процесс сварки плавлением осуществляется источником энергии, движущимся по свариваемым кромкам с заданной скоростью (рис. 7).

Рис. 7. Схема сварки плавлением.

Если бы он был неподвижным, то форма сварочной ванны была бы симметричной, а ее сечение круглым. Так как источник энергии движется, то форма сварочной ванны оказывается несимметричной и имеет вид вытянутого овала. Размеры и форма сварочной ванны зависят от мощности источника и от скорости его перемещения, а также от теплофизических свойств металла.

При сварке листовых конструкций из пластически деформированного металла (проката) зона сварки существенно отличается по структуре и свойствам от основного металла. Наличие неоднородностей металла вызывает, в свою очередь, деформацию при короблении сварного соединения.

Введение большого количества энергии при сварке для образования сварного шва вызывает существенную неоднородность в металле сварного соединения — как результат воздействия теплового поля.

Рис. 8. Структура металла шва и околошовной зоны после сварки плавлением.

В сварном соединении резко различаются три области (рис. 8):

а) основной металл, имеющий в результате прокатки и термической обработки однородную мелкозернистую кристаллическую структуру;

б) зона термического влияния (околошовная зона), в которой металл находился некоторое время при высокой температуре, доходящей на линии сплавления до температуры плавления металла; в этих условиях может резко изменяться структура металла, особенно структура заливающихся сталей; увеличивается размер кристаллических зерен, прорастающих в процессе кристаллизации ванны за линию сплавления; по ширине зоны термического влияния структура металла тоже неоднородна в соответствии с температурным полем при сварке;

в) сварной шов — металл шва представляет собой литую структуру, но имеет характерные особенности.

Кристаллизация сварочной ванны начинается от поверхности сплавления, состоящей из оплавленных кристаллов, которые прорастают в еще жидкую сварочную ванну, как только ее температура достигнет точки плавления. Такая встречная кристаллизация с двух поверхностей сплавления (оплавленные кромки) оттесняет примеси в центр сварочной ванны, создавая неоднородность состава металла шва. Правда, эта неоднородность сглаживается в результате диффузии, идущей при высоких температурах с большой скоростью; в целом структура металла шва оказывается неблагоприятной.

Однако, регулируя процесс кристаллизации изменением скорости охлаждения и направлением отвода теплоты, можно значительно улучшить литую структуру металла шва. Академик Н. Н. Рыкалин создал стройную теорию тепловых процессов при сварке, позволяющую заранее определить оптимальные режимы сварки изделий и регулировать процессы кристаллизации в зоне сварки.

Нагрев металла при сварке до температур, превышающих температуру его плавления, вызывает окисление металла шва и изменение его химического состава. Как будет показано при рассмотрении отдельных способов сварки, существуют два основных пути сохранения требуемого качества металла шва и защиты его от окисления:

1) защита металла сварочной ванны шлаком и введение в процессе сварки легирующих компонентов, повышающих качество металла шва и предохраняющих его от окисления;

2) защита зоны сварки от воздушной атмосферы путем создания защитной атмосферы из инертных газов (аргона, гелия) или из активных газов, таких, как углекислый газ (С0₂), а также путем создания вакуума.