Характерные зоны в сварных соединениях и особенности

их образования, структуры и свойств

 

Процесс образования сварного соединения начинается с нагрева и расплавления основного и электродного металлов.

После образования сварочной ванны жидкий металл подвергается металлургической обработке – раскислению (удалению кислорода), рафинированию (удалению вредных примесей) и легированию. В этот же период происходит выделение газов из жидкого металла.

Последний период – кристаллизация металла шва.

Следует отметить, что одновременно с образованием сварочной ванны и кристаллизацией происходит нагрев околошовной зоны основного (свариваемого) металла. Поэтому в процессе сварочной операции, каждый объем металла сварного соединения претерпевает нагрев до разных максимальных температур и затем охлаждается с различной скоростью. Таким образом, каждый характерный участок металла в сварном соединении после сварки имеет свою термическую историю, которая может быть описана термическим циклом сварки.

Термический цикл сварки (также как и любая термическая обработка) представляет собой изменение температуры сварного соединения во времени.

В зависимости от реальных условий процесса сварки, скорости нагрева и охлаждения и достигаемые температуры могут изменяться в очень широких пределах. Наибольшая скорость наблюдаются при контактной сварке, особенно при точечной и роликовой. В этих случаях время протекания электрического тока часто составляет доли секунды. При газовой сварке скорость нагрева и охлаждения значительно меньше. Условились режимы сварки, при которых скорости нагрева и охлаждения очень большие, называть «жесткими». Под «мягким» режимом понимают такие режимы, при которых металл нагревается и охлаждается медленно.

Сварное соединение состоит из следующих зон (см. рис. 1, с. 98).

1. Металл шва. Это та зона, в которой в связи с нагревом выше температуры ликвидуса свариваемый металл расплавлялся в процессе сварки, перемешивался с металлом электрода и затем кристаллизовался. Структура шва характеризуется столбчатой формой кристаллов. При дальнейшем охлаждении металл шва претерпевает вторичную перекристаллизацию. Особенностью кристаллизации сварочной ванны является то, что в отличие от кристаллизации слитка, кристаллизация шва протекает при одновременном нагреве от источника тепла и охлаждения в виде отвода тепла в основной металл. Металл шва, за счет перехода легирующих элементов из покрытия или электродного стержня, часто отличается по химическому составу от основного металла. Как известно, литая структура металла шва обладает меньшей прочностью и повышенной хрупкостью по сравнению с основным металлом, который, как правило, имеет более высокую прочность и ударную вязкость за счет обработки его давлением (прокатка, ковка и т. п.).

Равнопрочность литого металла шва с основным металлом при сварке достигается за счет легирования шва.

2. Зона сплавления охватывает те объемы металла, которые в процессе сварки нагревались до температур выше линии солидуса, но ниже линии ликвидуса. В этой области происходило частичное расплавление основного металла. В эту зону в процессе сварки могли проникать различные элементы, которые вводились в электрод. Ширина зоны сплавления зависитот свойств металла (что определяет температурный интервал Т _л – Т _с) и от способа сварки.

3. Зона термического влияния представляет тот объем основного металла, который при сварке нагревался ниже температуры плавления, и вызвал изменение структуры и свойств.

Характер структуры и свойств в отдельных зонах сварного соединения может быть определен из рассмотрения диаграммы состояния свариваемого сплава. Наибольшее применение в промышленности находят низкоуглеродистые стали, отличающиеся хорошей свариваемостью. Для анализа изменения микроструктуры малоуглеродистой стали, при сварке воспользуемся диаграммой железо-углерод. Намечая на диаграмме состояния температурные границы характерных зон и участков, перенесем эти границы на график распределения температур. Из точек пересечения горизонтальных линий с кривой охлаждения опустим перпендикуляры на рисунок сварного соединения. Это дает возможность определить линейные границы отдельных участков.

При сварке плавлением низкоуглеродистых сталей применяются сварочные материалы, при которых металл шва получается низкоуглеродистым и низколегированным. Такие стали мало чувствительны к скорости охлаждения и не закаливаются. Микроструктура шва получается, как правило, феррито-перлитной.

Переходная зона, или зона сплавления (иногда ее называют границей сплавления), отмечена на схеме цифрой 1. У низкоуглеродистых сталей она невелика. Обычно она имеет ширину 0,08–0,1 мм при дуговой сварке и 0,15–0,20 мм при газовой и электрошлаковой сварке. Структура данной зоны обычно крупнозернистая (феррит + перлит).

Зона термического влияния нагревается до температур ниже солидуса и в зависимости от температуры нагрева разделяется на ряд участков.

Участок перегрева (2) у низкоуглеродистой стали включает металл, нагретый от температур 1000–1100 °C до температур, близких к температуре плавления. В связи с этим здесь развивается крупное зерно; характерным признаком перегрева является повышенная хрупкость. Иногда в участке перегрева встречается так называемая видманштеттова структура. Эта структура впервые была обнаружена Видманштеттом при исследовании метеоритного железа и характеризуется ориентированным расположением феррита. При правильно выбранных режимах сварки структура участка перегрева – крупнозернистый перлит и феррит.

Участок нормализации (3) охватывает металл, нагреваемый в процессе сварки несколько выше критической точки Ас ₃ (для низкоуглеродистой стали до температур 900–1100 °С). Благодаря процессу перекристаллизации при нагреве и охлаждении и оптимальной температуре этого нагрева имеет место значительное измельчение зерна. Механические свойства этого участка весьма высокие по сравнению со свойствами других участков зоны термического влияния.

Участок неполной перекристаллизации (4) нагревается до температур, лежащих в интервале от точки Aс ₁ до Aс ₃. Металл этого участка в процессе нагрева и охлаждения подвергается только частичной перекристаллизации. Процесс перекристаллизации доэвтектоидной стали протекает следующим образом. До нагрева основной металл имеет структуру феррит и перлит со значительным преобладанием феррита, поскольку сталь низкоуглеродистая. При нагреве в точке Aс ₁ наблюдается эвтектоидное превращение перлита в аустенит, феррит же при этой температуре никаких превращений не претерпевает. При охлаждении зерна феррита остаются без изменения, а аустенит переходит в мелкозернистый перлит. Таким образом, отличительной чертой структуры этого участка будет наличие мелких зерен перлита рядом с зернами феррита, имеющими обычные, характерные для основного металла размер и форму.

Участок рекристаллизации (5) может иметь разную структуру в зависимости от предшествовавшей обработки. У горячекатаной или отожженной перед сваркой стали структура металла, нагревавшегося до температур ниже Ас ₁, не меняется.

Если металл перед сваркой был наклепан (путем холодной прокатки, штамповки, гибки, обработки резанием), то структурные превращения наблюдаются и на участках, которые нагревались ниже температуры Ас ₁. В холоднодеформированном металле при нагреве происходит процесс рекристаллизации, заключающийся в том, что из деформированных, вытянутых зерен вырастают новые, равноосные зерна. Величина этих новых зерен зависит от степени деформации. Температура начала процесса рекристаллизации вычисляется по формуле:

Т _р = K·Т _пл,

где K – коэффициент, зависящий от чистоты металла. У металлов обычной технической чистоты K = 0,3-0,4;

Т _пл – температура плавления, K.

Если же основной металл перед сваркой холодной пластической деформации не подвергался, то рекристаллизация не происходит и участка рекристаллизации не будет.

Участок синеломкости (6) по структуре совершенно не отличается от основного металла. Температура нагрева этого участка 200–500 °С. Характерным для него является снижение ударной вязкости из-за выделения примесей по границам зерен в виде субмикроскопических частиц.

Механические свойства зон и участков сварного соединения неодинаковы. Наиболее низкими механическими свойствами будут обладать металл шва, граница сплавления, участок перегрева и участок синеломкости. Низкие механические характеристики шва объясняются литой структурой металла и вероятностью наличия дефектов (включений, газовых пор, непроваров и т.п.). Переходная зона, как известно, состоит из литых зерен и крупных зерен перегретого основного металла с характерной для них низкой прочностью. На участке синеломкости прочность снижается из-за выпадения примесей по границам зерен. Особенно резко проявляется это явление при эксплуатации сварных конструкций при повышенных температурах.