Основы сварочного дела

Кристаллизация металла сварочной ванны

В процессе сварки по мере пере­мещения дуги вслед ей перемещается сварочная ванна. При этом в задней части ванны расплавленный металл охлаждается и, затвердевая, образует сварной шов.

Кристаллизация металла свароч­ной ванны начинается у границы с не - расплавившимся основным металлом в зоне сплавления. Различают крис­таллизацию первичную и вторичную. Первичной кристаллизацией назы­вают процесс перехода металлов и сплавов из расплавленного (жидкого) состояния в твердое. Структура метал­лов, не имеющих аллотропических превращений, определяется только первичной кристаллизацией. Металлы и сплавы, имеющие аллотропические формы или модификации, после пер­вичной кристаллизации при дальней­шем охлаждении претерпевают вто­ричную кристаллизацию в твердом состоянии — переход из одной алло­тропической формы в другую (фазо­вые превращения).

Первичная кристаллизация метал­ла сварочной ванны протекает перио­дически, так как периодически ухуд­шается теплообмен, периодически выделяется скрытая теплота крис­таллизации. Это приводит к слоистому строению металла шва, к появ­лению ликвации, как зональной, так и дендритной. Толщина закристал­лизовавшихся слоев зависит от объема сварочной ванны и скорости ох­лаждения металла и колеблется в пределах от десятых долей миллимет­ра до нескольких миллиметров. Зо­нальная (слоистая) ликвация прояв­ляется в неоднородности химического состава металла шва в периферийной и центральной зонах. Это является следствием того, что металл перифе­рийных зон затвердевает раньше и поэтому содержит меньше примесей, а металл центральной зоны оказывается обогащенным примесями. Дендритная ликвация характеризуется химической неоднородностью кристаллитов. Пер­вые кристаллиты (центральные и на­чальные части дендритов) содержат меньше примесей, а междендритное пространство оказывается более за­грязненным примесями. На процесс ликвации существенно влияет способ сварки. Улучшая условия диффузии ликвирующих примесей в твердом металле, можно значительно снизить как слоистую, так и дендритную ликвации. Например, увеличивая ско­рость охлаждения металла, сокра­щают длительность двухфазного сос­тояния металла сварочной ванны и этим снижают степень неоднородности состава жидкой и твердой фаз. Большое значение имеет температур­ный интервал кристаллизации. Чем меньше температурный интервал кри­сталлизации, тем ниже уровень лик­вации. Например, в сталях низкоуг­леродистых, имеющих интервал кри­сталлизации 25...35°С, ликвация не­значительна. С увеличением содер­жания в стали углерода температур­ный интервал кристаллизации возрас­тает и степень ликвации повышается.

Вторичная кристаллизация метал­ла происходит в виде изменений форм зерен. Она в значительной степени зависит от химического состава метал­ла, скорости охлаждения, а также от ряда других факторов.

Теплота, выделяемая дугой при сварке, распространяется в основной металл. При этом по мере удаления от границы сплавления скорость и максимальная температура нагрева металла снижаются. Вследствие этого

В зоне основного металла происходят фазовые и структурные изменения, ко­торые влияют на прочность сварного соединения.

Зону основного металла, прилегающую к сварочной ванне, называют зоной термического влияния.

На рис. 38 схематично показаны строение этой зоны и температурные участки с различными структурными превращениями низкоуглеродистой стали.

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. Перегрев снижает прочность и плас­тичность металла; в сталях с большим содержанием углерода может выз­вать образование крупнозернистой, так называемой видманштеттовой структуры с низкими механическими свойствами. 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 происходит перекристаллизация и значительное измельчение зерна. Ме­талл участка приобретает высокие ме­ханические свойства.

Участок неполной перекристал­лизации (4) включает металл, нагре­ваемый 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 свойства металла участка в связи с такой смешанной структурой невысокие.

Участок рекристаллизации (5) Включает металл, нагреваемый выше 450...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 и большую склон­ность к образованию трещин.

Зона термического влияния состав­ляет: при ручной сварке электродом без покрытия ~2,5 мм; при сварке электродом с качественным покры­тием мм; при автоматической сварке под флюсом ~2,5 мм.

Следует отметить, что на механи­ческие свойства низкоуглеродистой стали сварка влияет незначительно. При сварке же конструкционных ста­лей в зоне термического влияния про­исходят структурные изменения, сни­жающие качество сварного соеди­нения. При этом в металле шва об­разуются закалочные структуры и да­же трещины. Значительно снизить термическое влияние процесса сварки на металл шва и околошовной зоны и получить качественное сварное сое­динение можно правильным выбором режима и техники сварки, а также хорошей подготовкой кромок свари­ваемых частей.