Основы металлургических процессов при сварке - Новые технологии - SibRegion.ru
Всего предприятий: 755152
Добавить предприятие
Добавить объявление
Добавить сайт
   
Например: Сибтехгаз
  Каталог статей  

  Агропром
  Бизнес
  Бытовая техника
  Интернет
  Компьютеры, оргтехника
  Машиностроение
  Мебель, интерьер
  Медицина
  Металлургия
  Наука, технологии
  Недвижимость
  Нефть, газ, химия
  Оборудование
  Работа, вакансии
  Связь, коммуникации
  Строительство
  ТНП
  Транспорт
  Туризм
  Услуги
  Финансы

  Как попасть в Раздел?  
Для этого Вам неоходимо обратиться к нашему специалисту по рекламе используя форму обращения

  Реклама  



  Карта сайта  

Справочник предприятий
Деловые предложения
Технологии производства
Статьи, обзоры
Тендеры России
Рейтинг предприятий
Доска объявлений
Выставки России
Каталог сайтов
Новости экономики
Телефонные коды России
Почтовые индексы России
Работа, вакансии
Образование, рефераты
Туризм, отдых

  Технологии производства: разработки, методики, статьи, отчеты Назад  


Основы металлургических процессов при сварке

Основы металлургических процессов при сварке

По своей природе сварка является металлургическим процессом. Металлургия сварки характеризуется теми физико-химическими процессами, которые протекают в сварочной зоне.

Организация: ЗАО «ЕВМ»
Адрес: 624093, Свердловская обл., г. Верхняя Пышма, ул. Бажова, 28
Телефон: (34368) 4-31-96, 4-28-86
Сайт: www.ewm.ru

Общие сведения и особенности сварочной металлургии

По своей природе сварка является металлургическим процессом. Металлургия сварки характеризуется теми физико-химическими процессами, которые протекают в сварочной зоне. Они определяются взаимодействием расплавленного металла со сварочными флюсами, шлаками и газами, а также охлаждением и кристаллизацией металла шва и превращениями основного металла в зоне термического влияния. Эти процессы протекают на всех стадиях дуговой сварки: в период плавления электрода, перехода капли жидкого металла через дуговой промежуток и в самой сварочной ванне. Однако в отличие от общей металлургии, характерной для сталеплавильных агрегатов, условия протекания металлургических процессов при сварке отличаются рядом особенностей, влияющих как на ход их развития, так и на получаемые результаты. Такими особенностями являются:

  1. Малый объем сварочной ванны и в то же время достаточно большие относительные количества реагирующих фаз в ней.
  2. Высокие температуры в различных областях сварочной зоны и большой перегрев расплава в ванне.
  3. Движение жидкого металла, интенсивное перемешивание расплавленных продуктов и их непрерывное обновление и обмен в сварочной ванне.
  4. Высокие скорости охлаждения и кристаллизации наплавленного металла.
  5. Совместимость металлов и сплавов.

В этих условиях наблюдается активное взаимодействие расплав ленного металла с окружающей газовой средой и флюсами, нагретыми до высоких температур. Протекание процессов происходит с большой скоростью. Однако в связи с кратковременностью сущес твования расплава и постоянного обновления взаимодействующих фаз чаще всего они не доходят до полного завершения и боль шинство реакций в сварочной зоне не достигает равновесного состояния. К тому же создаются условия, препятствующие полному очищению металла шва от различных неметаллических вклю чений, оксидов и газов, которые из-за быстрого затвердевания расплава не успевают выходить на поверхность сварочной ванны и удаляться в шлак. С другой стороны, высокие скорости охлаждения и кристаллизации металла существенно отражаются на строении получаемых швов, приводят к мелкозернистой структуре их, умень шению химической неоднородности, а в результате - повышению свойств литого металла шва.

Имеющие место металлургические процессы связаны с проте канием определенных химических реакций, в результате которых может происходить окисление или раскисление металла шва, легирование его определенными элементами, растворение и выде­ление в шве газов и др. Некоторые из них ведут к ухудшению свойств получаемых соединений и являются нежелательными (например, окисление), другие способствуют повышению качества и свойств соединений и часто проводятся преднамеренно, например, раскисление. Поэтому в том или ином случае назначения условий сварки необходимо исходить из анализа прохождения всего комп лекса физико-химических процессов, имея в виду, что общим результатом их должно быть получение металла шва с определен ными свойствами и определенного химического состава. Это опре деляется не только составом присадочного и основного металла, но и в значительной степени зависит от характера и интенсивности реакций, протекающих в процессе сварки.

 

Основные процессы, протекающие при дуговой сварке

Процессов, протекающих в условиях дуговой сварки, много. Рассмотрим те, которые имеют общий характер во всех или большинстве случаев выполнения сварки.

Диссоциация газов и соединений. При диссоциации происходит распад более сложных компонентов на атомы или составные части. Этому процессу способствуют наличие высоких температур в зоне сварки и каталитическое действие расплавленного металла. При дуговой сварке в первую очередь диссоциации подвергаются мо лекулы газов как простых - кислород, азот, водород, так и слож ных - углекислый газ СО2, пары воды Н2О и др. Диссоциация газов происходит по реакциям

Кислород и водород при температурах дуга практически пол ностью диссоциируют на атомы, азот диссоциирует в меньшей степени.

Диссоциация водяного пара в зависимости от температуры проходит по реакциям

Следовательно, в зависимости от условий протекания реакций водяной пар может окислять или восстанавливать металл сварочной ванны.

Диссоциации подвергаются и более сложные соединения. Во многих электродных покрытиях и флюсах содержится плавиковый шпат CaF2. При высоких температурах он разлагается по реакции

Атомы фтора, соединяясь с электронами, превращаются в ионы с малой подвижностью. Это ведет к снижению проводимости дугового промежутка и ухудшению стабильности дуги. Но в то же время атомы фтора способны связывать водород в молекулы HF, не растворяющиеся в металле ванны, уменьшая насыщение металла шва водородом.

В состав многих покрытий электродов входят карбонаты, например СаСО3. Разлагаясь при высоких температурах, они выде­ляют углекислый газ, который в свою очередь диссоциирует с образованием кислорода:

Находясь в атомарном состоянии, газы становятся химически активными и, реагируя с металлом, резко ухудшают его качество.

Окисление металла при сварке. Металл сварочной ванны может окисляться за счет кислорода, содержащегося в газовой среде и шлаках в зоне сварки. Кроме того, окисление может происходить и за счет оксидов (окалины, ржавчины), находящихся на кромках деталей и поверхности электродной проволоки. При нагреве име ющаяся в ржавчине влага испаряется, молекулы воды диссо циируют, а получающийся кислород окисляет металл. Окалина при плавлении металла превращается в оксид железа также с выделением свободного кислорода. При недостаточной защите свароч ной ванны окисление происходит за счет кислорода воздуха.

Кислород с железом образует оксиды: FeO (22,3% О2), Fe3O4 (27,6% О2), Fe2O3 (30,1% О2). При высокой температуре сварочной дуги за счет атомарного кислорода в результате реакции Fe + О

FeO образуется низший оксид, который при понижении темпе ратуры может переходить в другие формы высших оксидов.

Наибольшую опасность для качества шва представляет оксид FeO, способный растворяться в жидком металле. Этот оксид обла­дает температурой плавления меньшей, чем у основного металла. Поэтому при кристаллизации металла шва он затвердевает в пос леднюю очередь. В результате он располагается в виде прослоек по границам зерен, что вызывает снижение пластических свойств металла шва. Чем больше кислорода в шве находится в виде FeO, тем сильнее ухудшаются его механические свойства. Высшие оксиды железа не растворяются в жидком металле и, если они не успевают всплывать на поверхность сварочной ванны, остаются в металле шва в виде шлаковых включений.

Железо может окисляться также за счет кислорода, содержаще гося в СО2 и парах воды Н2О:

В процессе сварки кроме железа окисляются и другие элементы, находящиеся в стали, - углерод, кремний, марганец. При переходе капель электродного металла в дуге окисление элементов происходит в результате взаимодействия их с атомарным кислоро дом газовой среды дугового промежутка: С + О = СО, Мn + О = MnO, Si + 2O = SiO2.

В сварочной ванне элементы окисляются при взаимодействии их с оксидом железа:

Окисление этих элементов приводит к уменьшению их содер жания в металле шва. Кроме того, образующиеся оксиды могут оставаться в шве в виде различных включений, значительно снижающих механические свойства сварных соединений, особенно пластичность и ударную вязкость металла шва. Повышенное содер жание кислорода вредно влияет и на другие свойства - уменьшает стойкость против коррозии, повышает склонность к старению металла, сообщает ему хладноломкость и красноломкость. Поэтому одним из условий получения качественного металла шва является предупреждение окисления его в первую очередь путем создания различных защитных сред.

Раскисление металла при сварке. Применяемые при сварке защитные меры не всегда обеспечивают отсутствие окисления расплавленного металла. Поэтому его требуется раскислить. Рас кислением называют процесс восстановления железа из его оксида и перевод кислорода в форму нерастворимых соединений с последующим удалением их в шлак. Окисление и раскисление, в сущности, представляют два направления протекания одного и того же химического процесса. В общем случае реакция раскисления имеет вид FeO + Ме = Fе + МеО, где Me - раскислитель.

Раскислителем является элемент, обладающий в условиях сварки большим сродством к кислороду, чем железо. В качестве раскислителей применяют кремний, марганец, титан, алюминий, углерод. Раскислители вводят в сварочную ванну через электродную проволоку, покрытия электродов и флюсы. Ниже приведены наиболее типичные реакции раскисления.

Раскисление марганцем: Fe + Мn = Fе + МnО

Оксид марганца малорастворим в железе, но сам хорошо раст воряет оксид железа FeO, увлекая его за собой в шлак.

Раскисление кремнием: 2FeO + Si = 2Fe + SiO2.

Раскисление титаном: 2FeO + Ti = 2Fe + TiO. Титан - энергичный раскислитель, при этом образуются лег коплавкие титанаты марганца и железа:

Оксид кремния плохо растворим в железе и всплывает в шлак. Раскисление кремнием сопровождается реакциями образования более легкоплавких комплексных силикатов марганца, кремния и железа, которые лучше переходят в шлак:

Марганец, кремний и титан вводят в сварочную ванну через электродную проволоку, легируя ее через покрытие электрода или флюс, вводя соответствующие ферросплавы.

Раскисление углеродом: FeO + С = Fe + CO.

Образующийся оксид углерода выделяется в атмосферу в газо образном состоянии, вызывая сильное кипение сварочной ванны и образуя поры в шве. Для получения плотных швов реакцию раскис ления углеродом следует «подавить» введением в сварочную ванну других раскислителей, например кремния.

Взаимодействие с азотом. Азот воздуха, попадая в столб дуги, разогревается и частично диссоциирует. В атомарном состоянии азот растворяется в жидком металле. В процессе охлаждения азот выпадает из раствора и взаимодействует с металлом, образуя ряд соединений -нитридов Fe2N, Fe4N. Атомарный азот может соединяться и с кислородом, образуя оксид азота NO, который, растворяясь в каплях электродного металла, переходит в сварочную ванну. Содержание азота в металле шва вредно влияет на его механические свойства, особенно пластичность. Кроме того, насы щение металла азотом способствует образованию газовых пор. Снижение азота проводят для защиты расплавленного металла от воздуха или введения в него химических элементов, удаляющих азот в виде неметаллических включений.

Взаимодействие с водородом. Водород может попасть в зону сварки из влаги покрытия электрода или флюса, ржавчины на поверхности сварочной проволоки и детали, из воздуха. Атомарный водород хорошо растворяется в жидком металле, и с увеличением температуры нагрева растворимость увеличивается. Важной зако номерностью в поведении газов является скачкообразное изменение их растворимости в металле при фазовых изменениях его и особенно при переходе из жидкого состояния в твердое (рис. 1).

При охлаждении и кристаллизации сварочной ванны выделя ющийся водород не успевает полностью удаляться из металла шва. Это приводит к образованию в нем газовых пор. Кроме того, атомы водорода, диффундируя в имеющиеся полости и несплошности в затвердевающем металле, приводят к повышению в них давления, развитию в, металле внутренних напряжений и образованию микро трещин. Снижение газонасыщения швов проводят за счет качест венной защиты расплавленного металла при сварке очисткой и прокалкой свариваемого и сварочных материалов.

Рис. 1. Растворимость водорода в свариваемом металле

 

Реакции с серой и фосфором. Сера является вредной при месью в сталях. В сварочную ванну она попадает из основно го металла, сварочной прово локи и иногда из покрытия электродов или флюса. В метал ле сера может находиться в виде соединений - сульфидов. Особо вреден сульфид железа FeS, хорошо растворимый в же лезе. Наличие в металле шва серы снижает его механические свойства и сильно повышает склонность к образованию тре щин.  Поэтому десульфурация, очистка металла от серы, имеет целью уменьшение общего содер жания серы в шве и особенно FeS. Десульфурацию проводят введением в сварочную ванну элементов, имеющих большее срод ство к сере, чем железо. Образующийся сульфид элемента должен плохо растворяться в металле и хорошо в шлаке. Таким элементом является марганец, обладающий  большим  сродством  к сере. Сульфид марганца не растворяется в металле, имеет малую плот ность и легко всплывает в шлак сварочной ванны. Процесс идет по реакциям

Такого же эффекта достигают введением кальция по реакции FeS + СаО = FeO + CaS.

Оксид кальция получают разложением в дуге мрамора СаСО3.

Реакции с фосфором. Фосфор также вредная примесь в сталях. Пути попадания его в шов те же самые, что и для серы. В металле фосфор находится в виде соединений - фосфидов железа с темпе ратурой плавления много ниже, чем у железа (1170°С):

Затем происходит связывание оксида фосфора по реакциям

Фосфор в металле шва располагается по границам зерен в виде легкоплавкой прослойки и приводит к сильной неоднородности металла, росту зерен и снижению пластичности, особенно при низких температурах, вызывая хладноломкость металла. Удаление фосфора проводят его окислением и последующим связыванием в прочное соединение, удаляемое в шлак:

Полученные соединения выводятся в шлак.

 

Особенности металлургических процессов при различных видах сварки

Дуговая сварка под флюсом. При автоматической и механизированной сварке под флюсом сварочная дуга горит во флюсогазовом пузыре, заполненном раскаленными газами столба дуги и парами флюса. Условия протекания металлургических про цессов отличаются рядом особенностей:

  • более эффективная защита сварочной ванны от кислорода и азота воздуха (в швах, выполненных под флюсом, содержание азота не превышает 0,008%);
  • объем сварочной ванны больше, чем при ручной дуговой сварке, больше и время пребывания ее в расплавленном состоянии, что способствует более полному протеканию химических реакций между жидким металлом и шлаком;
  • более устойчивая зависимость между режимом сварки и химическим составом расплавляемого металла, что позволяет с достаточной точностью и стабильностью получать заданный состав металла швов.

Одной из особенностей металлургических процессов при сварке под флюсом является легирование шва марганцем и кремнием за счет восстановления их из оксидов МnО и SiO2, находящихся во флюсе. В зоне сварки с высокой температурой протекают восста новительные реакции:

Образовавшийся оксид FeO частично всплывает в шлак, частично растворяется в жидком металле. Марганец и кремний полностью растворяются в металле.

В хвостовой части сварочной ванны в зоне пониженных темпе ратур протекают реакции раскисления за счет Мn и Si, имеющих большее сродство к кислороду в этих условиях, чем железо:

Получающиеся при этом оксиды соединяются между собой в комплексные легкоплавкие силикаты марганца и железа, легко всплывающие в шлак.

Дуговая сварка в защитных газах. Из активных защитных газов наибольшее распространение получил углекислый газ СО2. Особен ность металлургических процессов в этом случае обусловлена его сильным окислительным действием. Газовая среда в дуге, торящей в СО2, имеет более окислительный характер (33% О2), чем при горении ее на воздухе (21% О2). Поэтому наблюдается сильное окисление сварочной ванны по реакции Fe + CO2 = FeO + CO.

Одновременно происходит диссоциация углекислого газа. Ато марный кислород также окисляет в сварочной ванне железо и другие Примеси: кремний, марганец, углерод и др. Эти реакции происходят как в период перехода капель электродного металла в дуге, так и на поверхности самой ванны. Для управления реакцией окисления, а также пополнения потерь элементов применяют электродные Проволоки с повышенным содержанием марганца и кремния (Св-08ГС, Св-08Г2С и др.). При использовании этих проволок в зоне понижения температуры в сварочной ванне протекают реакции раскисления:

Образующиеся оксиды марганца и кремния всплывают на поверх ность сварочной ванны.

Инертные защитные газы (аргон, гелий) не растворяются в расплавленном металле и не образуют в ванне химических соединений.

Окислению сварочной ванны способствуют находящиеся примеси в защитном газе в виде свободного кислорода и паров воды. При этом окисляется в основном углерод с образованием газооб разного оксида СО. Для подавления реакции окисления углерода в сварочной ванне должно находиться достаточное количество раскислителей кремния, марганца. С этой целью при сварке угле родистых сталей используют те же электродные проволоки, что и при сварке в углекислом газе, - с повышенным содержанием раскислителей.

 

Кристаллизация сварочной ванны

Сварной шов при дуговой сварке формируется путем кристал лизации расплавленного металла сварочной ванны. Кристал­лизацией называют процесс образования кристаллов метал ла из расплава при переходе его из жидкого в твердое состоя ние. 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 кристал лизации. 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: обра зования центров кристаллизации (зародышей) и роста кристаллов от этих центров. При первичной кристаллизации металла шва в качестве центров кристаллизации являются поверхности оплавлен ных зерен основного металла, окружающих сварочную ванну. При этом между основным металлом и металлом шва возникают общие зерна. 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 -тугоплавкие 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 повер хности 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 ориен тированность - вытянуты в одном направлении, противополож ном 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 тонких 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 ячеисто-дендритной 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 ме талла, а также может встречаться в швах с большим объемом сварочной ванны и при малых скоростях охлаждения расплава. Поэтому за кристаллизовавшийся металл шва в большинстве слу чаев 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 сварочной 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. 2). Толщина кристаллизационных слоев измеряется в пределах от Десятых долей от нескольких миллиметров в зависимости от объема ванны и условий теплоотвода. Столбчатые кристаллиты каждого последующего слоя являются продолжением кристаллитов предыдущего слоя. В итоге образующиеся кристаллиты как бы прорастают из слоя в слой.

Рис. 2. Схема кристаллизации расплава в сварочной ванне: 1 - зона сплавления, 2 - зерна основного ме тала, 3 - кристаллизационные слои, 4 - рас тущие кристаллиты.

 

Характер получаемой струк туры и расположения крис таллитов в металле шва во мно гом определяются формой сварочной ванны и схемой ее кристаллизации. Кристаллиты растут перпендикулярно грани це сплавления в направлении, противоположном отводу теп лоты. При кристаллизации сва рочной ванны с узким, глу боким проплавлением кристал литы 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. 3, а). При затвердевании широкой сварочной ванны с небольшим проплав лением 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. 3, б).

В процессе кристаллизации состав жидкого металла ванны непрерывно изменяется. Поэтому одновременно с кристаллизацией в нем развиваются диффузионные процессы, стремящиеся к одно родному составу металла как внутри кристаллитов, так и между затвердевшими кристаллитами и еще оставшимся жидким распла вом. Однако из-за различия скоростей роста кристаллитов и процессов диффузии, являющихся более медленными, полного вы равнивания состава не происходит.

 

Рис. 3. Схема кристаллизации расшива в зависимости от формы сварочной ванны: а - узкая сварочная ванна с глубоким проплавлением, б - широкая сварочная ванна

 

Это приводит к возникновению неравномерности в распределении элементов сплава свариваемого шва - химической неоднородности металла шва. Различают мак роскопическую и микроскопическую неоднородность. Первый вид характеризуется неравномерностью состава в отдельных областях металла по сечению шва (зональная ликвация). При микро скопической неоднородности наблюдается неравномерность соста ва 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 прояв ления 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, стой кость его против образования трещин и др.

Изучение и анализ строения металла шва проводят путем выяв ления его кристаллического строения на специально приготовлен­ных шлифах поперечных и продольных сечений. При этом раз личают 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 и т. п.). Микроструктура металла шва характеризует его тонкое строение, выявляемое на шлифах с помощью металло графических микроскопов с высокой степенью увеличения (стро ение кристаллитов, наличие внутридендритной ликвации, микро дефектов).

 

Образование трещин и газовых пор в металле шва

В процессе кристаллизации сварочной ванны в металле шва возможно образование трещин. По расположению относительно оси шва они могут быть продольными и поперечными, в зависимости от величины - микро- и макроскопическими (первые из них обнаруживаются с помощью микроскопа, а вторые - невоору женным глазом); в зависимости от температур, при которых они образуются, трещины разделяют на две группы: горячие (высоко температурные) и холодные (низкотемпературные). Механизм их возникновения различен.

Горячие трещины представляют собой хрупкие межкристал лические разрушения металла шва и околошовной зоны, возникающие в процессе кристаллизации в твердо-жидком состо янии, а также при высоких температурах в твердом состоянии. Трещины, как правило, располагаются по границам кристаллитов и вызывают межкристаллическое разрушение. Объясняется это тем, что при затвердевании металла шва в процессе первичной кристаллизации между кристаллитами располагаются жидкие прос лойки, имеющие небольшую температуру плавления. Если возни кающие в это время в металле растягивающие внутренние напря жения (вследствие линейной усадки при охлаждении) будут доста точно велики, то по этим прослойкам произойдет разрушение с образованием трещины. Если же процесс полного затвердевания расплава заканчивается до появления больших растягивающих на пряжений, то горячие трещины не образуются. Образованию горя чих трещин способствует содержание в металле шва примесей - серы, фосфора и др. Так, сера образует легкоплавкий сульфид железа FeS, располагающийся при кристаллизации по границам зерен и увеличивающий вероятность образования трещин. На образовании трещин сказываются также форма и схема кристаллизации свароч ной ванны. Узкие швы с глубоким проплавлением более склонны к образованию трещин, чем широкие швы с небольшим проплавлением. Для уменьшения опасности образования горячих трещин применяют следующие меры: используют сварочные материалы с минимальным содержанием серы, углерода, фосфора; повышают в металле шва содержание марганца, который связывает серу в более тугоплавкое соединение - сульфид марганца; проводят рафини рование (очистку) расплава ванны от серы с помощью введения компонентов, содержащих кальций.

Холодные трещины в структуре металла располагаются как по границам, так и по телу зерен. Поэтому они представляют собой внутрикристаллические разрушения. Холодные трещины в сварных соединениях образуются при температурах 200 - 300°С. Чаще всего они образуются в швах при сварке закаливающихся сталей. На склонность металла к образованию холодных трещин оказывают влияние повышенное содержание углерода и элементов, облегча ющих закалку, наличие в шве водорода, загрязнение фосфором, быстрое охлаждение и наличие в швах внутренних напряжений. С целью уменьшения склонности металла к образованию холодных трещин применяют следующие меры: используют материалы с минимальным содержанием фосфора, уменьшают насыщение сва рочной ванны водородом и азотом, принимают меры для умень шения внутренних напряжений.

Поры в сварных швах возникают при первичной кристал лизации металла сварочной ванны в результате выделения газов. Поры представляют собой полости в швах, заполненные газом, имеющие сферическую, вытянутую или более сложные формы. Поры могут располагаться по оси шва, его сечению или вблизи границы сплавления. Они могут быть скрытыми в металле или выходить на поверхность, располагаться цепочками, отдельными группами или одиночно, могут быть микроскопическими и круп ными (до 4 - 6 мм в диаметре). Поры при сварке в основном возникают за счет газов водорода, азота и оксида углерода, образу ющихся в результате химических реакций с выделением газовых продуктов, выделения газов в связи с разной растворимостью их в жидком и твердом металле, захватом газа из окружающей среды при кристаллизации сварочной ванны.

Для уменьшения пористости необходимы тщательная подготовка поверхности основного и присадочного металлов под сварку (очистка от ржавчины, масла, влага, прокалка и т. д.), надежная защита зоны сварки от воздуха, введение в сварочную ванну элементов - раскислителей (из основного металла, сварочной проволоки, покрытия, флюса), стабильное соб людение режимов сварки.

 

Структура сварного соединения

Сварное соединение (рис. 4) при сварке плавлением включает в себя сварной шов 1, образовавшийся в результате кристаллизации сварочной ванны, зону сплавления 2 и зону термического влияния 3, представляющую часть основного металла, непосредственно привыкающую к сварному шву и подвергающуюся тепловому воз действию при сварке, вызывающему изменение структуры и свойств.

Металл в любой зоне сварного соединения испытывает нагрев и охлаждение. Изменение температуры металла во времени назы­вают термическим циклом сварки. Максимальная температура нагрева в разных участках соединения различна.

Рис. 4. Схема строения сварного соединения: 1 - сварной шов, 2 - зона сплавления, 3 - зона термического влияния.

 

Сварной шов образуется в результате расплавления основного и электродного металлов, а потому после затвердевания он имеет структуру литого ме талла с вытянутыми столбча тыми кристаллитами. В зоне термического влияния изме нение нагрева происходит от температуры плавления на границе со швом до комнат ной температуры. При этом в металле  могут  происходить различные структурные и фазовые превращения, приводящие к появлению участков металла, различающихся по структуре.

При сварке низкоуглеродистых сталей в ней отмечают участки (рис. 5) неполного расплавления, перегрева, нормализации, не­полной перекристаллизации, рекристаллизации и синеломкости.

Рис. 5. Структура металла в зоне термического влияния при сварке низкоуглеродистой стали

 

Участок неполного расплавления примыкает непосредственно к сварному шву и является переходным от литого металла шва к основному. На этом участке происходит образование соединения и проходит граница сплавления. Он представляет собой узкую область (0,1 - 0,4 мм) основного металла, нагревавшегося до частичного оплавления зерен. Участок перегрева - область основного металла, нагреваемого до температур 1100 - 1450°С, в связи с чем металл его отличается крупнозернистой структурой и пониженными меха ническими свойствами и тем заметнее, чем крупнее зерно и шире зона перегрева. Участок нормализации (перекристаллизации) охва тывает область основного металла, нагреваемого до температуры 900 - 1100°С. Металл этого участка обладает высокими механическими свойствами, так как при нагреве и охлаждении на этом участке образуется мелкозернистая структура в результате перекристаллизации без перегрева.

Участок неполной перекристаллизации нагре вается в пределах температур 725 - 900°С. В связи с неполной перекристаллизацией, вызванной недостаточным временем и тем пературой нагрева, структура металла состоит из смеси мелких перекристаллизовавшихся зерен и крупных зерен, которые не успели перекристаллизоваться. Свойства его более низкие, чем у металла предыдущего участка.

Участок рекристаллизации наблюдается при сварке сталей, подвергавшихся холодной деформации (прокатке, ковке, штамповке). При нагреве до температуры 450 - 725°С в этой области основного металла развивается процесс рекристаллизации, приводящий к росту зерна, огрублению структуры, к разупрочнению металла.

Участок, нагреваемый в области температур 200 - 450°С, явля ется переходным от зоны термического влияния к основному металлу. В этой области могут протекать процессы старения металла в связи с выпадением карбидов и нитридов железа. Понижается пластичность и вязкость металла. По структуре этот участок практически не отличается от основного металла. Таким образом, сварное соединение характеризуется неоднородностью свойств. Ширина околошовной зоны зависит от толщины металла, вида и режима сварки. Например, при ручной дуговой сварке она состав ляет обычно 5 - 6 мм.







Рейтинг@Mail.ru © SibRegion.ru
Российский деловой сайт