Кристаллизация металлов при сварке

    1.19  Формирование структуры металла в зоне термического влияния             сварных соединений

Зона термического влияния  является обязательным спутником сварного шва при всех способах сварки плавлением и давлением, кроме холодной сварки. Эта зона охватывает основной металл, не расплавляющийся в процессе сварки и сохраняющий неизменным свой химический состав, но изменивший свою структуру и механические свойства вследствие нагрева и охлаждения (термообработки) в процессе сварки.

Прочность сварного соединения и его эксплуатационные свойства во многом зависят от структурных  изменений, которые происходят в  ЗТВ. Строение и размеры ЗТВ зависят  от химического состава и теплофизических  свойств свариваемого металла, мощности источника теплоты, степени его концентрированности, скорости движения и других факторов. Ширина ЗТВ меняется от 1…3 мм при ручной дуговой сварке до 20 мм и более при электрошлаковой сварке.

Термический цикл любой точки  металла сварного соединения характеризуется  максимальной температурой нагрева, длительностью  нагрева до определенной температуры  и скоростью охлаждения. Для ЗТВ  характерно неравномерное распределение  максимальных температур нагрева (рис. 1).

Рис. 1. Термический цикл при сварке плавлением: 1, 2, 3, 4 – точки, в которых измерялась температура

 

Результат теплового воздействия  на металл в ЗТВ зависит от его  отношения к термообработке. В  зависимости от способа и погонной энергии сварки возможны два предельных случая:

1) закалка – при быстром  охлаждении – с образованием  твердых и хрупких структур  и возникающих при этом значительных  по величине напряжений;

2) перегрев – при медленном  охлаждении, – характеризующийся  чрезмерным ростом зерна и  снижением пластических и вязких  свойств металла.

Оценить общий характер возможных  превращений, протекающих в ЗТВ  при сварке низкоуглеродистых сталей, можно по диаграмме железо–цементит, а при различных скоростях охлаждения – по термокинети- ческим диаграммам распада аустенита, которые построены для большинства марок углеродистых и легированных сталей. Скорость охлаждения обычно оценивается в интервале температур наименьшей устойчивости аустенита (500…550 °С). При малых скоростях охлаждения, соответствующих электрошлаковой и ванной сварке, превращение аустенита приводит к формированию структуры, состоящей из феррита и перлита. При средних скоростях охлаждения (автоматическая сварка под флюсом) в зависимости от марки стали образуются перлит и бейнит или бейнит и мартенсит с небольшим количеством феррита. При скорости охлаждения выше критической образуется только мартенсит. Мартенситное превращение сопровождается увеличением объема стали и возникновением больших напряжений, которые могут вызвать разрушение металла. В подобных случаях приходится принимать специальные меры к улучшению структуры металла ЗТВ и предотвращению образования мартенсита. Эти меры сводятся к изменению теплового режима в процессе сварки, выбору рациональной формы разделки кромок под сварку и последующей термообработке.

На рис. 2. показана схема структур, образующихся в зоне термического влияния при сварке стыкового соединения из малоуглеродистой стали за один проход.

Рис. 2. Строение ЗТВ при сварке низкоуглеродистой стали

 

Над сечением шва показана кривая температур, а рядом –  часть диаграммы железо–цементит  в том же масштабе. В зависимости  от температуры нагрева в ЗТВ  различают следующие участки:

1. перегрева;
2. нормализации;
3. неполной перекристаллизации;
4. рекристаллизации.

Участок перегрева. Он включает металл, нагретый до температур выше 1100 °С, т. е. несколько ниже температуры плавления. Металл на этом участке в процессе нагрева претерпевает аллотропические превращения ( α - железа в γ - железо), сопровождающиеся ростом аустенитного зерна. В тех случаях, когда перегрев сочетается с последующим быстрым охлаждением (закалка), металл на этом участке после сварки облада- ет пониженной пластичностью и прочностью по сравнению с основным металлом. Участок особенно опасен для закаливающихся сталей, поэтому выбор рациональной технологии сварки сводится в первую очередь к обеспечению наименьшего ухудшения свойств на этом участке ЗТВ.

 

Участок нормализации (перекристаллизации). Этот участок охватывает металл, нагретый до температуры, немного превышающей тем- пературу аллотропических превращений (900…1050 °С). Происходящий здесь процесс перекристаллизации при нагреве и охлаждении приводит к значительному измельчению зерен металла. Структура металла становится более мелкозернистой по сравнению с исходной. Механические свойства металла этого участка обычно лучше, чем основного металла.

 

Участок неполной перекристаллизации. Он включает металл, нагретый до температур 700…850 °С. При этих температурах происходит частичная перекристаллизация, т. е. часть феррита остается в исходном состоянии, другая – образует аустенит. При последующем охлаждении и распаде аустенита образуется мелкозернистая структура, поэтому здесь, наряду с зернами основного металла, не изменившимися в процессе сварки, присутствуют зерна, образовавшиеся при перекристаллизации.

 

Участок рекристаллизации (старения). Он наблюдается при сварке сталей, предварительно подвергшихся пластической деформации (ковке, прокатке). Температурный интервал участка 450…650 °С. На этом участке ЗТВ происходят сращивание (укрупнение) раздробленных при нагартовке зерен основного металла и некоторое его разупрочнение по сравнению с исходным состоянием. При сварке изделий из литья рекристаллизации не наблюдается. Для металлов и сплавов, склонных к старению, необ- ходимо учитывать некоторое снижение пластичности на этом участке.

Об изменении прочностных  и в определенной степени пластических свойств в различных участках металла шва и ЗТВ можно  судить по изменению твердости (рис. 3).

Повышение твердости обычно связано с повышением прочности  и снижением пластичности. Характер распределения твердости в ЗТВ  может быть различным, он определяется химическим составом стали и режимом  сварки. Обычно в сварных изделиях не допускается твердость в зоне сварки более НВ = 300 МПа.

Таким образом, зона термического влияния неоднородна по структуре  и механическим свойствам. Наиболее ослабленным является участок перегрева, а наилучшие механические свойства имеет участок нормализации. В целом механические свойства ЗТВ хуже, чем у основного металла, поэтому ее размеры необходимо ограничивать.

Чувствительность стали  к изменению термического цикла  сварки зависит от содержания в ней  углерода, а также элементов, повышающих ее прокаливаемость и склонность к перегреву.

В сварных соединениях  низкоуглеродистой и большинства  низколегированных сталей рост зерна  в околошовной зоне не оказывает заметного влияния на свойства металла.

При сварке углеродистых и  особенно легированных сталей быстрое  охлаждение околошовной зоны вызывает часто закалку металла и образование структур, имеющих значительные твердость и хрупкость. В этих случаях для улучшения структуры и свойств ЗТВ применяют термическую обработку, обычно высокий отпуск.

Рис. 3. Изменение механических свойств в металле шва и околошовной зоне: а – твердость; б – прочность; в – пластичность

 

В последние годы в строительстве  возрос объем сварочных работ  с применением углеродистых и  низколегированных сталей, поставляемых в термоупрочненном состоянии. По сравнению с горячекатаным термоупрочненный металл (закаленный и отпущенный при определенной температуре) имеет более высокие механические свойства и более низкую температуру хладноломкости.

При сварке такой стали  в зоне термического влияния может  наблюдаться разупрочнение (рис. 4). Протяженность разупрочненной зоны («мягкой прослойки») и величина разупрочнения оказывают большое влияние на прочностные свойства сварного соединения. При правильном выборе сварочных материалов и режимов сварки прочность сварных соединений может быть практически равной прочности основного металла, если протяженность разупрочненного участка и величина разупрочнения малы.

Рис. 4. Схема возможных вариантов распределения твердости в сварном соединении: ОМ – основной металл; св. шов – сварной шов, ЗТВ – зона термического влияния

 

При сварке давлением (например, контактная сварка) сварной шов может  иметь как литую структуру, так  и пластически деформированную. Например, при контактной точечной сварке прохождение тока вызывает разогрев и расплавление металла в зоне сварки, создающее ядро сварной точки. Точечная сварка низкоуглеродистой  стали без расплавления металла  хотя и возможна, но недостаточно надежна  и поэтому на практике почти не применяется.

Диаметр ядра, определяющий в основном прочность сварной  точки, зависит от диаметра рабочей  поверхности электрода, толщины  листов, давления, силы тока и времени  его прохождения. При неправильно  подобранном режиме сварки может  не произойти достаточного расплавления металла, и получается непроваренная точка. Когда ядро расплавляется, прилегающая к нему по окружности зона металла находится в пластическом состоянии и плотно сжимается давлением электродов. Давление создает уплотняющее кольцо пластического металла, удерживающего жидкий металл ядра. При недостаточном давлении уплотняющее кольцо не может удержать жидкий металл ядра, и происходит внутренний выброс (выплеск) металла в зазор между листами.

Кристаллизация жидкого  металла происходит так же, как  и при электродуговой сварке, т. е. от поверхности ядра к его середине. Ядро имеет столбчатую дендритную структуру. При охлаждении и затвердевании  происходит уменьшение объема расплавленного металла ядра. В результате в центральной  части ядра могут образовываться усадочная раковина, пористость и  рыхлость металла. Чем толще металл, тем сильнее неблагоприятное  влияние усадки. Наиболее надежным способом борьбы с этим явлением может  служить повышение рабочего давления.

При сварке давлением также  имеется ЗТВ, однако ее общие размеры  относительно малы и не оказывают  решающего влияния на прочность  сварного соединения.

 

Практическую  часть работы рекомендуется выполнять в следующей последовательности:

1. Шлифы, изготовленные из сварных образцов, подвергают травлению 10…25 %-ным водным раствором азотной кислоты для выявления макроструктуры, которую исследуют невооруженным глазом или при небольшом увеличении (до 5 раз).
2. По макроструктуре определяют форму и размеры шва, глубину проплавления, форму и размеры зерен, ширину ЗТВ, размеры крупных зерен в околошовной зоне.
3. Выявляют дефекты сварного соединения: непровары, трещины, шлаковые включения и др. Результаты представляют в виде зарисовок макроструктуры с изображением выявленных дефектов.
4. Производят переполировку и повторное травление шлифов 2…4 %-ным раствором азотной кислоты в этиловом спирте. Микроструктуру исследуют на микроскопах МИМ-6, МИМ-7. До травления на полированной поверхности шлифа исследуются распределение и характер неметаллических включений (S, P и т. д.). После травления изучается структура шва и ЗТВ: определяются структурные составляющие (феррит, перлит, сорбит и др.) и их относительное количество. Результаты исследований представляют в виде зарисовок микроструктуры.
5. Производят измерение твердости на приборе Роквелла или микротвердости на приборе ПМТ-3 в поперечном направлении сварного соединения. Результаты измерений заносятся в таблицу и строится график распределения твердости по сечению сварного соединения. Распределение твердости сопоставляется со схемой микроструктур и делается общий вывод о качестве сварного соединения.

 

 

 

 

 

2.48. Условия получения  качественных сварных соединений  на никелевых и титановых сплавах.

Сварка никеля.

Никель и его сплавы обладают весьма ценными свойствами, они коррозионно-стойкие, жаропрочные  и жаростойкие, кроме того, у них  высокие механические характеристики. Никель марки Н-1, содержащий 99,93 % Ni, подвергнутый отжигу после прокатки листов, имеет прочность <7В до 420—530 МП а, 6=35— 45 %. Благодаря своим свойствам никель и его сплавы применяют в химической, нефтехимической промышленности, электронике, энергетике и в других отраслях. Кроме указанных выше свойств он имеет большое электрическое сопротивление, сохраняет высокую прочность и пластические свойства при низких температурах.

При сварке никеля и его  сплавов вредное влияние на качество сварного шва оказывает присутствие  в металле или в покрытии электродов серы и свинца. Сера активно соединяется  с расплавленным никелем, образуя  сульфид, который резко снижает  пластичность никеля и его работоспособность  при высоких температурах. Свинец также влияет на охрупчивание никеля и снижение его пластичности. Не следует допускать присутствия в никеле к его сплавах серы и свинца и требуется особенно тщательно очищать поверхность металла механическим путем и обезжириванием. Никель в расплавленном состоянии растворяет значительное количество газов (кислорода, азота, водорода), которые, выделяясь при кристаллизации, могут стать причиной пористости, поэтому необходима защита расплавляемого при сварке металла. Перед сваркой необходимо прокалить электрод и защищать шов поддувом защитного газа и другими способами.

 

Для ручной дуговой сварки никеля покрытыми электродами во всех положениях применяют электроды  Н-10, Н-37, «Прогресс-50» ИМЕТ-10 и др., имеющие покрытие основного типа. Силу сварочного тока понижают до (20—35) г/э ввиду высокого электрического сопротивления никеля. Электрод держат перпендикулярно сварному соединению с небольшим наклоном до 20° в  сторону сварки. Поперечные движения электрода должны быть небольшими. Вертикальные швы при толщине  металла до 2,5—3 мм рекомендуется  сваривать сверху вниз. Многослойные швы сваривают после охлаждения, тщательной очистки и обезжиривания  каждого слоя перед наложением следующего. Шов делают с усилением, которое  затем сошлифовывают. Полезна несильная проковка шва.

Ручная аргонодуговая  сварка никеля и его сплавов обеспечивает высокое качество сварных соединений. Сварку ведут постоянным током прямой полярности с использованием серийных специализированных установок или источников питания постоянного тока, газовой аппаратуры и горелок для сварки в инертном газе. Используют вольфрамовые электроды диаметром 1,5—& мм марок ЭВЛ или ЭВИ. Ручную сварку предйочтительно применять при небольшой толщине деталей. Без разделки сваривают металл толщиной 2—4 мм, при большей толщине делают разделку. Присадочную проволоку применяют диаметром 1—3 мм. При многогфоходной сварке последующие слои шва следует накладывать после полного охлаждения металла, зачистки от шлака и обезжиривания предыдущих слоев. Силу тока подбирают из расчета (40— 45) d9. Аргон применяют высшего сорта, а со стороны подкладки делают поддув аргоном 1-го сорта