ТЕОРИЯ сварочных процессов

Схема кристаллизации сварных швов

Под схемой кристаллизации понимают форму осей кристалли­тов и значение угла срастания противоположно растущих кристал­литов - угла 0 = 2а между касательными к этим осям (рис. 12.11).

Ось кристаллита хк - воображаемая линия, определяющая форму и направление границ кристаллитов. Форма, ориентировка и разме­ры кристаллитов могут изменяться в широких пределах в зависи­мости от технологии сварки и оказывать существенное влияние на свойства металла шва. Направление роста кристаллита совпадает с направлением максимального теплоотвода, т. е. с нормалью к изо­термической поверхности кристаллизации хи. Следовательно, ось кристаллита представляет собой ортогональную траекторию к се­мейству изотермических поверхностей кристаллизации, соответст­вующих Тип или Тп.

Математическое описание оси кристаллита хк, при использова­нии соотношений для изотермических поверхностей кристаллиза­ции хи, полученных методами теории тепловых процессов при сварке, представляет определенные трудности. Для инженерных расчетов изотермическую поверхность хи аппроксимируют урав­нением эллипсоида с полуосями L, Р, Я, которые соответствуют длине / затвердевающей хвостовой части сварочной ванны, поло­вине ее ширины р и глубине проплавления h. В зависимости от схемы нагреваемого тела и типа источника теплоты изотермиче­ская поверхность хи (рис. 12.12) может быть: 1) эллипсоидом с двумя равными полуосями (точечный источник на поверхности полубесконечного тела, Р = Я); 2) эллиптическим цилиндром (ли­нейный источник по толщине тонкого листа, Я = 6); 3) частью фиктивного (расчетного) эллипсоида (точечный источник на по­верхности плоского слоя - толстого листа, р < Р, h < Я и / < L), оси которого лежат выше поверхности толстого листа. В первом слу­чае имеет место объемный процесс кристаллизации и оси кристал­литов являются пространственными кривыми (рис. 12.12, а). При этом поскольку поперечное сечение сварочной ванны является кру­гом (Р = Я), то форма осей всех кристаллитов аналогична форме кристаллитов на ее поверхности. Вершины всех кристаллитов вы­ходят на продольную ось шва на его поверхности (линию центров). Во втором случае имеет место плоский процесс кристаллизации (рис. 12.12, б), криволинейные оси кристаллитов располагаются в одной плоскости. Линия центров осей кристаллитов совпадает с осью Oz. Форма кристаллитов идентична во всех сечениях по тол­щине листа. Последнее обстоятельство в обоих случаях позволяет вести экспериментальные и расчетные исследования процесса кристаллизации на поверхности сварочной ванны. В третьем, про­межуточном случае характер процесса кристаллизации, форма и длина кристаллитов изменяются по глубине сварочной ванны.

Основные соотношения, характеризующие процесс кристалли­зации шва, получены в результате решения дифференциального уравнения ортогональной траектории к семейству изотермических

поверхностей кристаллизации (хи) эллипсоидного типа. Были ис­пользованы выражения для длины и полуширины затвердевающей части сварочной ванны, выведенные на основе тепловой теории

в

Рис. 12.12. Форма осей кристаллитов при различном очертании свароч­ной ванны эллипсоидного типа: а - объемный процесс кристаллизаций, соответствующий точечному источнику теплоты на поверхности массивного тела; б - плоский процесс кристаллизации, соответствующий линейному источнику по толщине листа; в - объемный процесс кристаллизации, соответствующий точечному источнику на поверхности листа (Я, L, Р - полуоси эллипсоида; h9 /, р - параметры сварочной ванны; х„ - изотер­мическая поверхность кристаллизации; хк - ось кристаллита; и оси

кристаллитов соответственно в кристаллизующейся сварочной ванне и в закри­сталлизовавшемся шве)

при сварке для быстродвижущихся источников теплоты. С помо­щью полученных соотношений можно определить основные пара­метры схемы кристаллизации:

1) уравнение оси кристаллита;

2) угол наклона оси кристаллита к оси шва (также угол сраста­ния противоположно растущих кристаллитов в центре шва);

3) интегральный критерий схемы кристаллизации;

4) скорость кристаллизации;

5) размер поперечного сечения кристаллита;

6) градиент температуры в точке пересечения оси кристаллита с изотермой кристаллизации;

7) тип первичной микроструктуры.

Эллипсоидная форма сварочной ванны соответствует сварке с относительно небольшими скоростями (до 20...25 м/ч); при уве­личении скорости сварки ванна приобретает параболоидную, а за­тем коническую форму. При этом методика получения основных соотношений остается прежней, а вид соотношений изменяется. Следует отметить, что в реальных условиях сварки возможны от­клонения направления осей кристаллитов от ортогонального к фронту кристаллизации, которые в отдельных зонах могут дости­гать 30...40° в зависимости от природы и состава сплава, а также от параметров режима сварки.

Пространственный фронт кристаллизации широкого класса сварочных ванн, встречающихся в практике, можно описать урав­нением эллипсоида

полуоси которого L, Р и Н соответствуют длине, полуширине и глубине фронта кристаллизации.

Для случаев действия точечного источника теплоты на поверх­ности полубесконечного тела и линейного по толщине листа ана­лиз процесса кристаллизации сварного шва проводят для поверх­ности шва. При сварке в пределах сварочной ванны (см. рис. 12.11) одновременно осуществляются два процесса: плавление (NON - фронт плавления) и кристаллизация (NMN - фронт кристаллиза­ции). Сварочная ванна и связанная с ней изотерма кристаллизации перемещаются вдоль оси шва со скоростью сварки.

С точностью, достаточной для инженерных расчетов, кривую NMN можно описать уравнением эллипса

ky

Уравнение оси кристаллита принимает вид

(ОАО (12.18)

к ол/ Y

Выразив из уравнения (12.13) значение + и подставив его в уравнение (12.14), получим выражение для определения тангенса угла а, образованного касательной к оси кристаллита с осью Ох,

dy ОМ ку tga = — = - г. (12.19)

dx ON

ky

Для упрощения расчетов вводим обозначение q = -

f^y’

выражаем из (12.19) угол наклона оси кристаллита к оси шва в виде

ОМ

a = arctg

ON

Значения коэффициентов у и q для различных ку, приведены В табл. 12.1.

Таблица 12.1.Значения коэффициентов у и q

Угол срастания противоположно растущих кристаллитов в центре шва оценивают по соотношению

0 = 2а,-,

где а, принято рассчитывать для ку, равного 0,04, так как при меньших значениях ку получается, что ось кристаллита асимптоти­чески приближается к оси шва, а угол наклона стремится к нулю. Для суммарной оценки схемы кристаллизации используют ин­

тегральный критерий Ка = |аdky (где dky - бесконечно малый

элемент ширины шва), который позволяет судить о преимущест­венном направлении осей кристаллитов по ширине шва при дан­ном режиме сварки:

„ я ON ОМ + ОМ2 - ON2 /1ЛЛ1Ч

Ка = —і j= = In---------------------------------------- - . (12.21)

2 2 л] ОМ2- ON2 ОМ - лі ОМ2 - ON2

Таким образом, схема кристаллизации оценивается совокупно­стью углов, под которыми участки кристаллитов наклонены к оси Ох. На рис. 12.13 для варианта наплавки на поверхность полубес­конечного тела показаны распределение угла а по ширине шва от

его оси (ку = 0) до линии сплавления (ку = 1) при различных скоро­стях сварки и постоянной погонной энергии (qlv = const). Зависи­мость интегрального критерия Ка от скорости сварки показана на

рис. 12.14. С ростом погонной энергии сварки значение Ка увели­чивается.

Используя выражение (12.19), можно получить уравнение для определения скорости кристаллизации - скорости роста кристал­лов vKp на различных участках их длины при сварке. Под скоро­стью кристаллизации здесь понимается средняя макроскопическая скорость перемещения межфазной поверхности. Вектор скорости кристаллизации направлен по нормали к изотерме кристаллизации. Для оценки скорости кристаллизации используют соотношение

рад

где АВ - длина закристаллизовавшегося участка (рис. 12.15); At - время кристаллизации.

Рассмотрим фигуру ABC. При достаточно малом At, можно счи­тать ее прямоугольным тре­угольником и принять АС = Ах.

Тогда

АВ = AC cos а = Ах cos а и _ Ах

^кр~ ~^cosa’ Рис. 12.15. Схема расчета скоро­

сти кристаллизации v^

Ах

так как v = скорость сварки, то

aKp=acosa. (12.23)

Скорость кристаллизации можно определить, выразив cos а через tg а и используя (12.19), с помощью соотношения

£>кр - ------------------------------------------------ (12.24)

ЯІГ

<h l

Рис. 12.16. Схема определения ширины кристаллита 6К/ (ВС)

С увеличением скорости сварки v изотермы вытягиваются, скорость кристаллизации и угол а возрастают. У линии сплавле­ния акр = 0, а на оси шва vKp = v.

Ширину кристаллита в заданной точке А і оси кристаллита хк можно определить, используя схему на рис. 12.16. Принято, что кристаллиты начинают расти от оплавленных зерен основного ме­талла. Ширину кристаллита £к/ измеряют по направлению каса­тельной к изотерме кристаллизации хИ, используя соотношения: ВС = bKj и DC = d3. Из треугольника DBC получаем

bKi =d3 sin а, , (12.25)

где d3 - средний условный диаметр оплавленного зерна в около - шовной зоне (см. разд. 12.8.3), от которого начинает рост кристал­лит; о.; - угол наклона оси кристаллита в точке А к оси шва.

При использовании формул (12.18), (12.20), (12.25) для кон­кретных расчетов необходимо знать размеры полуосей эллипса ОМ и ON (см рис. 12.11). Их можно определить, если известны очертания изотермы кристаллизации, рассчитанной по тепловой теории при сварке. Соотношение изотермы и аппроксимирующего ее эллипса представлено на рис. 12.17.

Рассмотрим температурное поле мощного быстродвижущегося точечного источника на поверхности полубесконечного тела в системе координат хЮ'у так как источник теплоты находится в точке 0 при этом z = 0. Принимаем обозначение х = vt, причем

Рис. 12.17. Рассчитанная по тепловой теории изотерма кри­сталлизации (штриховая линия) и аппроксимирующий эллипс (сплошная линия) с полуосями ОМ и ON

х' - расстояние вдоль оси О’х' от источника до рассматриваемой точки берем со знаком «+», если точка находится впереди источ­ника, а если позади источника - то со знаком «-». Тогда выраже­ние для температурного поля имеет вид

НуТ

4ах'

Определяем значение ОМ: ОМ= | - 0]; О’М' при =

= 0, откуда

0'М' = —

2ккТ

С учетом равенства Т = 7ПЛ выражение (12.26) можно предста­вить в виде

После логарифмирования выражения (12.28) получаем

Заметим, ЧТО 00’ = Xq при У' = Утах> т - е- ПРИ =6-

dx'

После дифференцирования выражения (12.29) пот'и прирав-

- dy

нивания нулю производной определяем значение х0:

dx'

х0=ОО' = -~~—. (12.30)

2п ХТте

Отсюда, используя (12.27) и учитывая направление оси полу­чаем

Ґе-1'

ОА/ = —

2кХТпл

Значение ON находим, подставляя (12.30) в формулу (12.29), поскольку ON=утах при х'= х'0:

т=ГТТ~-(1232)

V neXvTnn

Уравнение оси кристаллита получаем, используя выражения (12.18), (12.31) и (12.32):

хк =2,328—|/. (12.33)

V

Аналогичные преобразования выполним для расчетной схемы мощного быстродвижущегося линейного источника в пластине. Температурное поле для этой схемы описывается формулой

Т(х',у')=~"бЩ^ехр

а уравнение оси кристаллита имеет вид

хк= 1,164-|/. (12.35)

V

Для оценки типа первичной структуры металла шва необходи­мо рассчитать градиенты температуры в точке А пересечения оси

кристаллита (л:к) и изотермы кристаллизации (хи) (рис. 12.18).

Градиент действительной температуры G-к в направлении

нормали п-п к изотерме кристаллизации хп равен

Рис. 12.18. Схема расчета градиента температур в точке пересе­чения оси кристаллита хк с изотермой кристаллизации хи:

Тд - действительная температура; п- п - нормаль к изотерме кристал­лизации хи; Ах' А/ - проекции приращения Ап на оси О 'х 'и О У'

Здесь —- и проекции — на оси О'х' и Оу Для сварочных

дх ду дп

ванн, изотерма плавления которых описывается температурной зависимостью для случая мощного быстродвижущегося источника на поверхности полубесконечного тела, градиент температуры

(12.39)

где х' = хк + 00'иу' = у (00'= 0,59ОМ).

Градиент температуры для случая мощного быстродвижущего­ся линейного источника в пластине имеет вид

(12.40)

В формулах (12.39) и (12.40) Т - температура точки, в которой рас­считывается градиент температур. Для точек на изотерме кристал­лизации - это температура ликвидуса (для стали ее принимают рав­ной 1450 °С). Распределения градиента температур, скорости кристаллизации и критерия концентрационного переохлаждения вдоль фронта кристаллизации показаны на рис. 12.19, а, б и в.

Рис. 12.19. Распределение параметров процесса кристаллизации по изо­терме кристаллизации: градиента температур Єж, °С/см (я); скорости кри­сталлизации акр, см/с (б) критерия концентрационного переохлаждения Ф, °С с1/2/см3/2 (в), а также зависимость типа структуры от содер­жания примеси и критерия концентрационного переохлаждения (г)

Ориентировочные числовые значения параметров соответст­вуют стыковой сварке листа толщиной 5 = 1 см без зазора (автома­тическая дуговая сварка под флюсом, /св = 600 А, С/д = 38 В, ^св = 36 м/ч).

Тип первичной структуры сварного шва формируется в соответ­ствии с общими положениями теории кристаллизации и условиями образования концентрационного переохлаждения на фронте кри­сталлизации (см. разд. 12.5.1). На рис 12.19, г приведена схема, ил­люстрирующая зависимость типа первичной структуры от содержа­ния примеси С и критерия концентрационного переохлаждения Ф.

При затвердевании расплавленного металла сварочной ванны преобладает гетерогенный процесс кристаллизации; готовыми центрами кристаллизации являются оплавленные зерна основного металла в виде выступов, расположенных на поверхности сплав­ления, а также твердые тугоплавкие частицы в жидком металле.

В условиях направленного оттока теплоты образуется столбча­тая кристаллитная структура. В зависимости от конкретных тепло­вых и кинетических условий кристаллизации металла шва, хими­ческого состава сплава, градиента температуры в центральной части сварного шва возможно образование равноосной структуры. Столбчатая и равноосная структура, в свою очередь, могут быть ячеистыми, ячеисто-дендритными, дендритными. Тип структуры определяется содержанием примеси и значением критерия концен­трационного переохлаждения Ф (см. (12.10а)). Можно не только получить все эти структуры в шве, но и управлять их развитием, изменяя условия роста, как это следует из теории концентрацион­ного переохлаждения. Такие параметры роста кристалла, как ско­рость кристаллизации vKp и градиент действительной температуры в жидкой фазе Єж, оказывающие наиболее существенное влияние на образующуюся структуру, можно рационально подбирать и из­менять при сварке. Температурный градиент в жидкости может быть повышен увеличением тепловой мощности дуги (путем по­вышения напряжения или силы тока) или может быть понижен при использовании предварительного подогрева. Скорость кри­сталлизации можно регулировать изменением скорости сварки.

На тип структуры шва большое влияние оказывает концентра­ционное переохлаждение. Это влияние можно оценить, рассматри­вая размер зоны максимального переохлаждения хк (см. рис. 12.10).

При небольшом концентрационном переохлаждении хк образу­ется ячеистая структура. В случае значительного концентрационного переохлаждения хкз у кристаллитов появляются ветви второго по­рядка и образуется столбчатая дендритная структура. Последние порции расплава могут иметь настолько большое концентрационное переохлажденние, что в них возможно зарождение новых крис­таллитов в центре шва с равноосной дендритной структурой.

Обобщенная зависимость типа структуры от содержания при­меси (С) и значения критерия концентрационного переохлаждения (Ф) представлена на рис. 12.19, г, из которого следует, что при кристаллизации металлов с малым содержанием примеси в случае больших значений Ф в шве образуется ячеистая структура, при высоком содержании примеси и малом значении Ф - дендритная.

При сварке сплавов часто в зоне сплавления образуется ячеи­стая структура, в середине шва - ячеисто-дендритная, а в центре шва - дендритная структура (рис. 12.20).

На тип первичной микроструктуры оказывают влияние хими­ческий состав стали, способ и параметры режима сварки. Так, тип первичной микроструктуры в центральных зонах швов сварных соединений стали в основном зависит от содержания углерода и скорости сварки. При изменении скорости сварки (0,14... 1,4 см/с) низколегированных сталей с содержанием углерода 0,1...0,25 % первичная микроструктура изменяется с ячеистой на ячеисто­дендритную, а при сварке среднелегированных сталей с содержа­нием углерода 0,3 % и более - изменяется с ячеисто-дендритной на развитую дендритную (в том числе в виде равноосных кристаллитов).

Первичную микроструктуру сварного шва можно регулиро­вать, используя различные металлургические и технологические приемы. Подавление столбчатой структуры с целью получения равноосных кристаллов в центральной части стальных швов воз­можно следующими способами:

1) введением элементов - модификаторов первого рода (Ті, V, Nb, Zr и др.);

2) введением модификаторов второго рода (поверхностно­активных примесей);

3) введением элементов, образующих избыточные фазы в твер­дых растворах (первичные карбиды, интерметаллиды и др.);

4) воздействием на сварочную ванну ультразвуковых колеба­ний, механических вибраций или электромагнитным перемешива­нием металла сварочной ванны;

5) термической и термомеханической обработкой, прокаткой сварных швов.