СВАРКА И РЕЗКА МЕТАЛЛОВ

Строение сварного шва

Наиболее широкое применение в сварных конструкциях име­ет малоуглеродистая сталь. Рассмотрим поэтому вопрос о строении сварного шва на примере сварки малоуглеродистой стали.

Основой стали является железо, в котором размещены частицы углерода и других элементов, входящих в ее состав. Железо мо­жет находиться в стали в виде феррита и аустенита.

Ферритом называется чистое железо, очень мягкое, обла­дающее высокой пластичностью, прочностью и магнитными свой­ствами. В виде феррита железо может находиться при температуре до 910°. Атомы кристалла феррита расположены по схеме, пока­занной на рис. 25, а. При температуре 910° (назывемой критической) и выше феррит переходит. в аустенит, характе­ризуемый более уплотненным расположени­ем атомов (рис. 25, б). Аустенит не магни­тен и отличается большей твердостью и вяз­костью. При охлаждении ниже 910° аустенит способен снова превращаться в феррит.

Углерод содержится в стали в виде хи­мического соединения с железом — цемен­тита (Fe3C), отличающегося высокой твер­достью и хрупкостью. Цементит в мягкой малоуглеродистой стали располагается в ви­де очень тонких пластинок, скопления кото­рых распределены в основной массе фер­рита. Такое строение (структура) стали на­зывается перлитом, представляющим собой механическую смесь феррита с цемен­титом. По мере увеличения содержания уг­лерода в стали количество перлита в ней возрастает. Сталь, содержащая 0,83% уг­лерода, состоит только из перлита. При даль­нейшем повышении содержания углерода на­чинается выделение отдельных зерен цемен­тита и структура стали будет состоять из перлита с распределенным в нем цементитом. Углерод понижает критическую температуру. Как указывалось выше, для чистого железа она равна 910°, для стали, содержащей 0,9% углерода, она составляет всего 720°. Аустенит способен хо­рошо растворять углерод, вследствие чего при нагревании стали до температуры, незначительно (на 20—30°) превышающей крити­ческую, включения цементита исчезают и сталь приобретает рав­номерную мелкозернистую структуру. Если затем сталь медленно охладить, то она сохранит мелкозернистое строение. Это свойство

стали используется для придания ей мелкозернистой структуры отжигом.

Если нагревать сталь до температуры, значительно превышаю­щей критическую, то получается крупнозернистая структура, ко­торая понижает прочность стали и делает ее более хрупкой. Пов­торно нагревая перегретую сталь до температуры несколько выше критической и затем медленно охлаждая ее, можно вновь получить мелкозернистую структуру. '

Описанные выше превращения происходят в стали не мгновен­но, а требуют некоторого времени. Поэтому при быстром охлажде­нии стали, которое имеет место при сварке, эти превращения неї успевают произойти полностью, вследствие чего получаются дру-' гие, промежуточные структуры. Так, например, в стали с повышен­ным содержанием углерода растворенный в аустените углерод при быстром охлаждении не всегда успевает полностью выделиться и остается в феррите. При этом образуется новая, твердая структу­ра — мартенсит. Мартенситная сталь отличается высокой твердостью, но она более хрупкая. Нагрев и последующее быстрое охлаждение (закалка) придают стали повышенную твердость.

Чем больше углерода в стали, тем она более склону к закалке при нагреве и быстром охлаждении. Изменяя скорость охлаждения, можно получить различную твердость стали. Закалке подвержены стали, содержащие свыше 0,3% углерода. Последующий нагрев и медленное охлаждение (отпуск) устраняют действие закалки на сталь, способствуя частичному или полному выделению углерода из феррита и образованию перлитной структуры.

Степень отпуска (т. е. степень уменьшения твердости) может быть различной в зависимости от температуры нагрева и длитель­ности выдержки стали при этой температуре. Это явление имеет место, например, при наложении многослойных швов. В процессе наложения вышележащих валиков отжигается металл нижележа­щих слоев шва.

На тщательно отшлифованной поверхности разреза сварного шва, протравленной специальным раствором, можно ясно видеть отдельные его части, имеющие различное строение зерен и называе­мые зонами сварного шва.

Основной металле процессе сварки нагревается и ча­стично расплавляется, подвергаясь действию высокой температуры сварочной дуги или сварочного пламени. Чем выше температура на­грева, тем большие изменения будет претерпевать металл. В той зо­не основного металла, где температура нагрева углеродистой стали не превышает 720°, металл сохраняет те же свойства, которыми он обладал до сварки.

Наплавленный металл получается за счет расплав­ления присадочного, или электродного металла и частичного сме­шивания его с основным металлом. При ручной дуговой сварке стали в наплавленный металл за счет расплавления свариваемых

кромок добавляется до 10% основного металла; при сварке под флюсом проволокой диамегром 4—5 мм эта добавка основного ме­талла составляет до 50% и более.

Наплавленный металл по составу, строению и свойствам отли­чается как от присадочного (элек­тродного), так и от основного металла.

Образование первых кристал­лов начинается в жидком металле у поверхностей охлаждения и вокруг так называемых центров кристаллизации, образующихся в процессе затвердевания свароч­ной ванны. Из этих начальных центров образуются зерна металла за счет присоединения новых кри­сталлов. Чем быстрее охлаждение металла, тем больше образуется центров кристаллизации и тем мельче будут зерна. При медленном охлаждении в процессе затвер­девания металл приобретает круп­нозернистое строение (рис. 26, а).

Находящиеся в жидком металле примеси и загрязнения (окислы, шлаки и др.) имеют более низкую температуру затвердевания, чем металл, и при застывании распо­лагаются по границам зерен метал­ла, ухудшая их сцепление меж­ду собой. Это снижает прочность и пластичность наплавленного ме­талла. Чем чище наплавленный металл, тем выше его механиче­ские свойства.

При автоматической сварке под флюсом получается более глу­бокое проплавление кромок основного металла, чем при ручной сварке, и он имеет зерна разветвленной формы (рис. 26, б), напо­минающие ветвь дерева. Зерна такой формы называются денд­ритами (от греческого слова дендрон — дерево) или столб­чатыми и характерны для образовавшегося при застывании жидкого литого металла.

Таким образом, зерна наплавленного металла по своей форме и расположению будут иными, чем зерна основного металла, которые всегда вытянуты в направлении прокатки. Если жидкий наплавлен­ный металл или соседний с ним участок основного металла был

очень сильно перегрет, то при охлаждении его зерна принимают игольчатую форму и пересекаются друг с другом в разных направ­лениях, образуя так называемую видманштеттову структуру. Перегретый металл обладает меньшей прочностью и является более хрупким.

Зона сплавления расположена между основным и на­плавленным металлом. В этой зоне основной металл расплавляется и смешивается с наплавляемым металлом электрода. Если зерна основного и наплавленного металла хорошо срослись и как бы про­никают друг в друга, то такие швы обладают наибольшей прочно­стью. Зона сплавления имеет ничтожные размеры и даже при рас­смотрении под микроскопом часто сливается с границей шва. Од­нако это бывает не всегда. В некоторых случаях можно довольно ясно различить границу между зернами основного и наплавленного металла. Иногда на границе между основным и наплавленным ме­таллом образуется цепочка из пленок окислов. В таком месте шов всегда будет обладать пониженной прочностью из-за недостаточ­ного сцепления частиц наплавленного металла с основным.

За зоной сплавления в основном металле имеется участок, где металл не изменяет своего химического состава. Но так как он до­вольно сильно нагревается, то строение и размеры его зерен из­меняются. Эта часть основногр металла носит название зоны термического (теплового) влияния или просто зоны влияния.

Зона влияния имеет особое значение при сварке тех сортов сталей, которые чувствительны к закалке (высокоуглеродистых, хромистых). При нагреве и последующем быстром охлаждении та­ких сталей в зоне влияния резко повышается твердость и хруп­кость, часто сопровождающиеся даже появлением трещин в метал­ле шва и прилегающей к нему зоне основного металла. Для таких сталей приходится применять специальные режимы сварки, а так­же предварительный подогрев и последующую термическую обра­ботку сварных швов.

Строение зоны влияния при ручной дуговой сварке малоуглеро­дистой стали схематически показано на рис. 27. Рядом с наплав­ленным металлом расположена зона сплавления, с которой грани­чит участок перегрева. Здесь основной металл уже не нагревается до температуры плавления, хотя температура нагрева его достаточ­но высока и лежит в пределах 1100—1500°, что вызывает значитель­ный рост зерен металла на данном участке, и почти всегда сопро - нождается образованием зерен игольчатой (видманштеттовой) струк­туры. Эта часть шва обычно является наиболее слабым местом и здесь металл будет обладать наибольшей хрупкостью, хотя и не будет влиять существенно на прочность сварного соединения в це­лом, за исключением тех случаев, когда перегрев значителен.

По мере удаления от оси шва температура нагрева снижается. В пределах температур 900—1100° находится участок нормализа­
ции, характеризующийся наиболее мелкозернистым строением, так как здесь температура нагрева лишь незначительно превышает критическую температуру. Следующий участок, лежащий в преде­лах температур 720—900°, подвержен лишь частичному измене­нию структуры основного металла и потому называется участ­ком неполной перекристаллизации. В нем имеются наряду с отдельными довольно крупными зернами скопле­ния мелких зерен. В этой части металла подведенного количества тепла уже недостаточно для измельчения всех зерен.

Наплавленный, метали

Участок неполною расплавления

--------------------------------------------------------------------- fggg.

9 Уингтнк л«№л, Дл 1УОО-

Участок перегрева

№00-

1100-

3 Участок нормализации 1000-

У Участок неполной s. перекристаллизации

5 Участок рек-700 .ристаллиэа^д[).

5С0-

ІУчасток синелся - _ кости 300-

Рис. 27. Схема строения зоны влияния при ручной дуго­вой сварке малоуглеродистой стали. Цифрами 1, 2, 3, 4,

5 и б обозначены одни и те же участки на разрезе метал­ла шва, кривой и шкале температуры на диаграмме

Участок, соответствующий нагреву от 500 до 720°, называется участком рекристаллизации; в нем структура ста­ли не изменяется, а происходит лишь восстановление прежней формы и размеров зерен, разрушенных' и деформированных при прокатке металла. При дальнейшем понижении температуры от 500° и ниже уже нельзя заметить признаков теплового воздействия на основной металл.

Наибольшей прочностью и пластичностью металл сварного со­единения будет обладать на участке нормализации.

Наименьшую величину зона термического влияния имеет при дуговой сварке тонкопокрытыми электродами и при сварке под слоем флюса. При ручной дуговой сварке электродами с толстым покрытием зона влияния несколько больше и достигает 5—6 мм.

Ширина зоны влияния главным образом зависит от сварочного то­ка, скорости сварки и условий отвода тепла от места сварки. Так, на­пример, при автоматической сварке стали со скоростью 10 —12 м/час током 2000—2500 а ширина зоны влияния достигает 8—10 мм при толщине стали 40 мм; при автоматической сварке стали толщиной 2 мм током 1200—1400 а при скорости 360 м/час зона влияния имеет ширину всего 0,5—0,7 мм.