Сварка

Сварные соединения — строение сварного шва

При сварке плавлением до жидкого состояния доводятся кромки соединяемых элементов — основной металл и вводимый дополнительный металл. При сварке без использования дополнительного металла расплавляются только кромки соединяемых элементов. Плавление происходит в зоне сварки — плавильном пространстве. Расплавленные металлы, сливаясь, образуют общую сварочную ванну, находящуюся в состоянии непрерывного движения и перемешивания. Границами такой ванны служат оплавленные участки основного металла и ранее образовавшегося сварного шва.

В процессе сварки источник теплоты перемещается вдоль соединяемых кромок, а вместе с ним движутся плавильное пространство и сварочная ванна. При сварке под флюсом сварочная ванна окружена оболочкой (пузырем) из расплавленного флюса-шлака, который полностью закрывает ореол сварочной дуги, делая его невидимым для глаз. При сварке с газовой защитой сварочная ванна окружена прозрачной оболочкой из газа, а при использовании покрытых электродов сварочная ванна защищена шлаком и газом. В обоих случаях ореол сварочной дуги хорошо виден. При электрошлаковой сварке и дуговой сварке под флюсом вертикальных швов сварочная ванна изолирована от окружающего воздуха слоем шлака, расположенным над ее поверхностью.

При дуговой сварке плавильное пространство можно условно разделить на два участка (рис. 1): головной — где происходит плавление основного и дополнительного металлов и хвостовой — где располагается сварочная ванна и начинается ее кристаллизация. При дуговой сварке форма сварочной ванны определяется ее длиной, шириной и толщиной, а также глубиной проплавления основного металла (рис. 2, а).

Строение плавильного пространства

Рис. 1. Строение плавильного пространства: 1 — головной участок; 2 — хвостовой участок

Ограничивается сварочная ванна изотермической поверхностью, имеющей температуру плавления основного металла.

Объем сварочной ванны в зависимости от способа и режима сварки изменяется от 0,1 до 10 см3. В плане сварочная ванна имеет эллипсовидное вытянутое вдоль направления сварки очертание (рис. 2, б). Поперечное сечение сварочной ванны изменяется в широких пределах в зависимости от режима и условий сварки. Для дуговой сварки наиболее характерна форма провара, приближающаяся к полуокружности. При лучевых способах сварки форма сварочной ванны напоминает острый клин-кинжал.

Время пребывания металла сварочной ванны в жидком состоянии на различных ее участках неодинаковое. Средняя продолжительность существования сварочной ванны, с, определяется по формуле

tсвL/v, (1.1)

где L — длина ванны, мм; v — скорость перемещения источника нагрева, мм/с.

Продольное (а) и поперечное (б) сечения сварочной ванны

Рис. 2. Продольное (а) и поперечное (б) сечения сварочной ванны: L — длина; h — глубина; Н — толщина свариваемого металла; е — ширина; q — выпуклость с лицевой стороны; р — выпуклость со стороны проплава

Распределение температуры по длине сварочной ванны

Рис. 3. Распределение температуры по длине сварочной ванны

При дуговой сварке температура по длине сварочной ванны распределяется неравномерно (рис. 3). В головной части ванны, где под воздействием источника теплоты происходит плавление металла и наиболее интенсивно протекает его взаимодействие со шлаком и газами, металл нагрет значительно выше температуры его плавления Тпл. В хвостовой части ванны температура приближается к температуре плавления основного металла.

Средняя температура сварочной ванны при сварке под флюсом конструкционных низкоуглеродистых сталей составляет около 1 800 °С, а максимальная температура достигает 2 300 °С.

Столб сварочной дуги, расположенный в головной части сварочной ванны, оказывает механическое воздействие — давление — на поверхность расплавленного основного металла. Это давление возникает в результате совместного воздействия упругого удара заряженных частиц о поверхность металла; давления газов, находящихся в дуговом промежутке, и дутья дуги, обусловленного электродинамическими усилиями. Такое направленное давление наблюдается только при несимметричной сварочной дуге, т. е. при дуге, горящей между электродами с малым и большим сечениями: в нашем случае между электродом, или сварочной проволокой, и основным металлом.

Давление приводит к вытеснению жидкого металла из-под основания сварочной дуги и погружению ее столба в толщу основного металла, что обусловливает увеличение глубины проплавления. Давление, оказываемое сварочной дугой на поверхность металла, пропорционально квадрату тока, протекающего в ней. Это давление можно повысить посредством увеличения концентрации теплоты от источника нагрева, например повышением плотности тока в электроде, применением флюса или тугоплавкого покрытия, образующего втулочку на конце электрода (при сварке электродами для глубокого провара). Очевидно, что чем больше давление, оказываемое сварочной дугой на поверхность расплавленного металла, тем больше глубина погружения ее столба в толщу металла. Для понижения давления сварочной дуги используют сварку наклонным электродом углом вперед, сварку несколькими дугами и другие приемы.

Жидкий металл, вытесненный из-под основания сварочной дуги действующими на поверхность сварочной ванны силами, по мере передвижения дуги отбрасывается в хвостовую часть плавильного пространства. При плотности тока в электроде до 15 А/мм2 это перемещение невелико и проявляется в образовании не заполненного металлом углубления — кратера. При повышенных плотностях тока в электроде наблюдается достаточно заметное перемещение металла сварочной ванны вплоть до полного удаления жидкого металла из головного участка. Этим обусловливается различие уровней жидкого металла в головной и хвостовой частях плавильного пространства (рис. 4). Для поддержания такой разности уровней должно существовать равенство между давлением дуги рд и гидростатическим давлением жидкого металла и шлака рг. Если рд < рг, то металл и шлак заполняют образовавшееся углубление, что имеет место в конце процесса сварки. Если рд > рг, то нарушается нормальное формирование шва.

После перемещения расплавленного металла в головной части плавильного пространства остается углубление — канавка, поверхность которой покрыта тонкой пленкой жидкого металла, удерживаемой силами поверхностного натяжения. По мере передвижения сварочной дуги перемещающийся из последующего головного участка жидкий металл заполняет канавку. При этом происходят слияние поступившего металла с жидкой пленкой и дополнительное оплавление основного металла за счет теплоты, накопленной в перегретой сварочной ванне.

При удалении источника нагрева в хвостовой части плавильного пространства отвод теплоты в массу холодного металла начинает преобладать над притоком теплоты и начинается затвердевание металла — кристаллизация сварочной ванны.

Расположение жидкого металла в головной и хвостовой частях сварочной ванны

Рис. 4. Расположение жидкого металла в головной и хвостовой частях сварочной ванны

В процессе затвердевания металла по границе расплавления образуются общие кристаллиты, обеспечивающие монолитность соединения.

При электрошлаковом процессе сварочная ванна в плане имеет преимущественно прямоугольное или близкое к прямоугольному очертание с постоянной шириной. Такая форма сварочной ванны определяется возвратно-поступательным перемещением электрода (электродов) и наличием над ее поверхностью значительного количества жидкого перегретого шлака. Объем сварочной ванны достигает в этом случае 80 см3 и более, а форма ее поперечного сечения приближается к полуокружности или полуэллипсу.

Переход металла сварочной ванны из жидкого состояния в твердое называется первичной кристаллизацией. Процесс первичной кристаллизации заканчивается образованием столбчатых кристаллитов. Структура металла шва, сформировавшаяся в результате первичной кристаллизации, также называется первичной.

При затвердевании металла в нем развиваются диффузионные процессы, стремящиеся выровнить состав различных участков образовавшихся кристаллитов. Однако из-за значительной скорости остывания металла и медленного протекания процессов диффузии в твердых растворах не происходит полного выравнивания состава металла шва. Это определяет наличие зональной ликвации, т. е. неравномерного распределения химических элементов по сечению металла шва, и внутридендритной неоднородности, заключающейся в неравномерном распределении химических элементов в пределах отдельных кристаллитов. Характер и степень микроскопической неоднородности оказывают существенное влияние на стойкость металла шва к образованию трещин и на его механические свойства.

Преимущественно в сварных швах развивается внутридендритная химическая неоднородность. Зональная ликвация проявляется значительно меньше: в виде небольшого обогащения серой и некоторыми другими элементами поверхности шва — при широкой форме провара и металла по оси шва — при узкой форме провара. Степени внутридендритной неоднородности и зональной ликвации в значительной мере зависят от условий остывания (кристаллизации) металла шва и его химического состава.

Степень внутридендритной химической неоднородности связана со скоростью остывания сварочной ванны сложной зависимостью. При этом изменение скорости остывания металла сварочной ванны в пределах, характерных для кристаллизации реальных сварных швов, не влияет на степень зональной ликвации.

Значительное влияние на качество сварного соединения оказывают диффузионные процессы, протекающие в зоне сплавления. Здесь вследствие различной растворимости химических элементов в жидкой и твердой фазах химические составы пограничного участка основного металла и прилегающего к нему участка металла шва существенно различаются.

В ряде случаев наблюдается значительное различие химического состава по длине шва и на отдельных его участках, т. е. макроскопическая неоднородность шва. Это различие обычно обусловлено колебаниями режима сварки, изменениями состава сварочных материалов и другими технологическими причинами.

Наблюдаемая в металле сварных швов физическая неоднородность связана с возникновением так называемых вторичных (полигонизационных) границ, проходящих по участкам, где сосредоточены несовершенства кристаллической решетки металла. Физическая неоднородность оказывает заметное влияние на стойкость сварного шва к переходу в хрупкое состояние, к межкристаллитной коррозии и на другие свойства.

Различают первичную и вторичную кристаллизацию сварочной ванны. Переход металла сварочной ванны из жидкого состояния в твердое называется первичной кристаллизацией. Этот процесс начинается с частично оплавленных зерен основного или ранее наплавленного металла и продолжается по нормали к линии сплавления (рис. 5).

Первичная кристаллизация сварочной ванны при всех видах дуговой сварки начинается с частично оплавленных зерен основного металла или столбчатых кристаллитов предыдущего слоя (при многопроходной сварке), являющихся готовыми центрами кристаллизации. При этом видимая граница между металлами исчезает. Условная поверхность раздела между зернами основного металла и кристаллитами шва называется границей шва, или границей сплавления А (рис. 6).

Схема кристаллизации металла шва

Рис. 5. Схема кристаллизации металла шва: 1 — шлаковые включения; 2 — линия сплавления; 3 — зона термического влияния; 4 — столбчатые кристаллы металла шва

Граница сплавления А

Рис. 6. Граница сплавления А

При сварке аустенитных сталей размеры столбчатых кристаллитов в большинстве случаев совпадают с размерами зерен основного металла. При сварке других металлов и сплавов эта закономерность выражена не столь четко.

Процесс первичной кристаллизации металла шва при электрошлаковой сварке не имеет принципиальных отличий от процесса первичной кристаллизации многослойных швов, полученных дуговой сваркой с небольшими перерывами между выполнением слоев. Только на примыкающих к ползунам участках металлической ванны кристаллиты растут перпендикулярно поверхности охлаждения, прорастая на 10 … 20 мм в глубь шва. Наличие дополнительных охлаждаемых поверхностей при сварке металлов толщиной до 30 мм обусловливает радиально-осевую направленность роста кристаллитов (рис. 7). При толщине свариваемых металлов свыше 50 мм кристаллизация основной части шва приобретает обычный характер, и только у ползунов наблюдается специфическая направленность роста кристаллитов.

Направленность роста кристаллитов при электрошлаковой сварке металлов

Рис. 7. Направленность роста кристаллитов при электрошлаковой сварке металлов толщиной до 30 мм

Первичная кристаллизация металла сварочной ванны так же, как и кристаллизация слитков и отливок, носит прерывистый характер. Швы, выполненные сваркой плавлением, имеют слоистое строение. Толщина кристаллизационного слоя при дуговой сварке обычно составляет десятые доли миллиметра. При электрошлаковой сварке кристаллизационный слой имеет бо́льшую толщину и выявляется более четко.

Слоистое строение металла шва обусловлено совместным действием следующих факторов: выделение скрытой теплоты кристаллизации металла сварочной ванны, волнообразное поступление металла в хвостовую часть плавильного пространства, наблюдаемые в реальных условиях колебания режима сварки и др.

Прерывистость характера первичной кристаллизации сварочной ванны определяет еще один вид ликвации в металле шва — слоистую неоднородность. Кристаллизационный слой состоит из трех характерных участков, нижний из которых обогащен, а верхний — обеднен ликвирующими примесями по сравнению со средним участком.

Вторичная кристаллизация происходит после завершения первичной кристаллизации и характеризуется изменением кристаллической решетки и структуры металла шва. Здесь решающее влияние на характер превращений оказывает скорость охлаждения: чем больше скорость сварки и ниже температура окружающей среды, тем выше скорость охлаждения и вероятность образования внутренних напряжений и трещин.

В процессе кристаллизации металла шва могут возникать горячие трещины.

Горячими трещинами называются микрои макроскопические трещины, проходящие по границам кристаллитов и вызывающие межкристаллитное разрушение.

Для предотвращения образования горячих трещин следует использовать сварочные материалы с повышенным содержанием марганца и минимальным содержанием серы и углерода; вводить в металл шва легирующие элементы (титан, алюминий, медь); выполнять сварку с предварительным подогревом и последующей термообработкой.

Холодные трещины, образующиеся при температуре ниже 300 °С вследствие возникновения в сварных соединениях значительных внутренних напряжений, проявляются по окончании сварки.

Для предупреждения образования холодных трещин рекомендуется применять сварочные материалы с минимальным содержанием фосфора, проводить сварку на оптимальных режимах; проковать шов после сварки.

Швы, выполненные сваркой плавлением, имеют слоистое строение. Столбчатые кристаллиты, отличающиеся сравнительно крупными размерами, легко различимы при изучении их макроструктуры. В зависимости от способа и режима сварки размеры столбчатых кристаллитов изменяются в достаточно широких пределах. Так, при дуговой сварке их поперечный размер обычно составляет 0,3 … 3,0 мм. Поскольку для электрошлаковой сварки характерны значительный объем сварочной ванны и длительное пребывание расплавленного металла при высоких температурах, поперечный размер столбчатых кристаллитов в этом случае составляет 3 … 7 мм. Рост кристаллитов обычно происходит нормально к криволинейной поверхности раздела основного металла и металла сварочной ванны, а при многопроходной сварке — к границе раздела между металлом ранее закристаллизовавшегося слоя и металлом кристаллизующегося слоя.

При дуговой однослойной сварке столбчатые кристаллиты прорастают через кристаллизационные слои, не изменяя своего направления. При многопроходной сварке рост кристаллитов каждого последующего слоя начинается от частично оплавленных кристаллитов предыдущего слоя, причем направления роста кристаллитов отдельных слоев, как правило, не совпадают, так как конфигурация этих слоев различная.

Столбчатый кристаллит представляет собой группу неполногранных дендритов. У границы сплавления дендриты, как правило, имеют только стволы и малоразвитые ветви начального этапа кристаллизации сварочной ванны. По мере удаления от границы сплавления дендриты разветвляются, выбрасывая ветви второго и третьего этапов кристаллизации.

При электрошлаковой сварке в зависимости от ее режима, химического состава и толщины свариваемых металлов наблюдаются четыре типа макростроения металла шва.

Для первого типа макростроения металла шва характерно наличие трех участков. У границы сплавления и у ползунов располагается участок толстых столбчатых кристаллитов. Каждый такой кристаллит является колонией дендритов, имеющих стволы и слабовыраженные оси начального этапа кристаллизации сварочной ванны. На некотором расстоянии от границы сплавления толстые столбчатые кристаллиты переходят в более тонкие кристаллиты, представляющие собой колонии развитых дендритов, имеющих оси второго и третьего этапов кристаллизации.

Прорастая в глубь шва, тонкие кристаллиты доходят до участка равноосных кристаллитов, занимающего полосу шириной 0,5 …10,0 мм по оси шва. Равноосные кристаллиты имеют дендритное, значительно разветвленное строение.

Второй тип макростроения металла шва, наблюдаемый наиболее часто, характеризуется наличием только участков толстых и тонких столбчатых кристаллитов.

Для третьего типа макростроения металла шва характерно наличие только участка тонких столбчатых кристаллитов, прорастающих от границы сплавления до оси шва (аналогично строению швов при дуговой сварке).

Четвертый тип макростроения металла шва характеризуется наличием лишь участков толстых столбчатых кристаллитов.

При этом в любом случае металл участка толстых кристаллитов обладает более высокими однородностью и плотностью, чем металл других участков.

Для измельчения первичной столбчатой структуры и уменьшения микрохимической неоднородности металла шва принципиально можно использовать следующие методы: применение специальных элементов-модификаторов, возбуждение в сварочной ванне ультразвуковых или механических колебаний и увеличение скорости остывания сварочной ванны. Однако реализовать эти методы достаточно сложно, и поэтому они не находят широкого применения.

Швы, выполненные электроннолучевой и лазерной сваркой, также имеют литую структуру.

Первичная структура металлов и сплавов, претерпевающих при охлаждении аллотропические превращения (например, сплавов железа с углеродом), сохраняется до температуры аллотропического превращения. В сплавах на основе железа аллотропические превращения проявляются при переходе γ-железа в α-железо.

Переход металла шва из одного аллотропического состояния в другое, происходящий в твердом состоянии, называется вторичной кристаллизацией. Структура металла шва, возникающая в результате вторичной кристаллизации, называется вторичной структурой. Характер вторичной микроструктуры определяется химическим составом металла шва, термическим циклом и другими факторами.

На рис. 8 приведен термический цикл сварки. При сварке плавлением основной металл, примыкающий к сварному шву, подвергается нагреву до температуры 1 500 °С. Область основного металла, нагретую в диапазоне температур 450 … 1 500 °С, принято называть зоной термического влияния.

Термический цикл сварки

Рис. 8. Термический цикл сварки (зоны А … Г сварного соединения и участки 1…6 околошовной зоны): А — зона наплавленного металла; Б — зона сплавления; В — зона термического влияния; Г — зона основного металла; 1 — неполное расплавление; 2 — перегрев; 3 — нормализация; 4 — неполная перекристаллизация; 5 — рекристаллизация; 6 — синеломкость; Т — температура металла

Зона термического влияния В включает в себя участки неполного расплавления 1, перегрева 2, нормализации 3, неполной перекристаллизации 4, рекристаллизации 5 и синеломкости 6.

Участок неполного расплавления 1 — переходный от расплавленного металла шва к основному. Здесь происходит сплавление кристаллитов металла шва с зернами основного металла.

Участок перегрева 2 — основной металл при температуре 1 100 … 1 500 °С, имеющий крупнозернистое строение и пониженные механические характеристики.

Участок нормализации (перекристаллизации) 3 — основной металл при температуре 930 … 1 100 °С, имеющий мелкозернистую структуру и наилучшие механические свойства.

Участок неполной перекристаллизации 4 — основной металл при температуре 720 … 930 °С, имеющий структуру в виде крупных зерен, по границам которых расположены мелкие зерна.

Участок рекристаллизации 5 — металл при температуре 450 … 700 °С. Здесь происходят рост зерен феррита (рекристаллизация) из их раздробленных частей, полученных при пластической деформации металла, и процесс старения, заключающийся в выделении нитридов и карбидов вокруг кристаллической решетки стали, что сопровождается повышением ее прочности и снижением пластичности.

Участок синеломкости 6 — металл при температуре 200 … 450 °С, имеющий пониженные пластические свойства.

Общая протяженность околошовной зоны при сварке плавлением в зависимости от толщины и марки стали составляет 2 … 30 мм. Для улучшения структуры и свойств зоны термического влияния основного металла и металла шва, выполненного газовой сваркой, производится горячая проковка шва.

Проковка — механическое воздействие молотком или кувалдой на металл шва как в горячем, так и в холодном состоянии.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *