Сварочные работы: современное оборудование н техноло­гия работ

Кристаллизация металла сварочной ванны

Формирование сварного шва при дуговой сварке происходит путем кристаллизации расплавленного металла сварочной ванны.

Кристаллизацией называют процесс образования кристал­лов металла из расплава при переходе его из жидкого в твердое состояние. Образующиеся при этом кристаллы металла принято называть кристаллитами. Кристаллизация металла 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 (рис. 54, 55).

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 денд - ритов) 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. Чем меньше температурный интервал кристаллизации, тем ниже уровень ликвации. В сталях низкоуглеродистых, имеющих температурный интервал кристал­лизации 25-35°С, ликвация незначительна. С увеличением содер­жания углерода в стали температурный интервал кристаллизации возрастает и 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, 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. 56).

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.

нв

в

Рис. 56. Термический цикл и схема изменения текстуры и свойств сварного соединения низкоуглеродистой стали при однопроходной сварке: а - распределение максимальных температур; б - схема изменения текстуры; в - изменение твердости

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 нормализации 3 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 деформациям, 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.

Сварка оказывает незначительное влияние на механические свойства низкоуглеродистой стали. 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.