Кристаллизация металлов при сварке

Сварка титана.

Из-за высокой химической активности титановые  сплавы удается сваривать только дуговой сваркой в инертных газах  неплавящимся и плавящимся электродом, дуговой сваркой под флюсом, электронным  лучом, электрошлаковой и контактной сваркой. Расплавленный титан жидкотекуч, шов хорошо формируется при всех способах сварки. Основная трудность сварки титана - это необходимость надежной защиты металла, нагреваемого выше температуры 400 °С от воздуха.

Дуговую сварку ведут в среде аргона и  в его смесях с гелием. Сварку с местной защитой производят, подавая газ через сопло горелки, иногда с насадками, увеличивающими зону защиты. С обратной стороны  стыка деталей устанавливают  медные подкладные планки с канавкой, по длине которой равномерно подают аргон. При сложной конструкции  деталей, когда осуществить местную  защиту трудно, сварку ведут с общей  защитой в камерах с контролируемой атмосферой. Это могут быть камеры-насадки  для защиты части свариваемого узла, жесткие камеры из металла или  мягкие из ткани со смотровыми окнами и встроенными рукавицами для  рук сварщика. В камеры помещают детали, сварочную оснастку и горелку. Для крупных ответственных узлов  применяют обитаемые камеры объемом  до 350 м3, в которых устанавливают  сварочные автоматы и манипуляторы. Камеры вакуумируются, затем заполняются аргоном, через шлюзы в них входят сварщики в скафандрах.

Аргонодуговой сваркой вольфрамовым электродом детали толщиной 0,5...1,5 мм сваривают встык  без зазора и без присадки, а  толщиной более 1,5...3,0 мм - с присадочной  проволокой. Кромки свариваемых деталей  и проволока должны зачищаться так, чтобы был снят насыщенный кислородом альфированный слой. Проволока должна пройти вакуумный отжиг при температуре 900... 1000 °С в течение 4 ч. Сварку ведут на постоянном токе прямой полярности. Детали толщиной более 10... 15 мм можно сваривать за один проход погруженной

дугой (рис. 103). После образования сварочной  ванны увеличивают расход аргона до 40...50 л/мин, что приводит к обжатию  дуги. Затем электрод опускают в  сварочную ванну. Давление дуги оттесняет  жидкий металл, дуга горит внутри образовавшегося  углубления, ее проплавляющая способность  увеличивается. Узкий шов с глубоким проплавлением при сварке неплавящимся электродом в аргоне можно получать, применяя флюсы-пасты АН-ТА, АНТ17А на основе фтористого кальция с добавками. Они частично рафинируют и модифицируют металл шва, а также уменьшают пористость.

Дуговую сварку титановых сплавов плавящимся электродом (проволокой диаметром 1,2.1.2,0 мм) выполняют на постоянном токе обратной полярности на режимах, обеспечивающих мелкокапельный перенос электродного металла. В качестве защитной среды  применяют смесь из 20 % аргона и 80 % гелия или чистый гелий. Это позволяет  увеличить ширину шва и уменьшить  пористость.

Титановые сплавы можно сваривать дуговой  сваркой под бескислородными фтористыми флюсами сухой грануляции АНТ1, АНТЗ для толщины 2,5...8,0 мм и АНТ7 для более толстого металла. Сварку ведут электродной проволокой диаметром 2,0...5,0 мм с вылетом электрода 14...22 мм на медной или на флюсомедной подкладке, либо на флюсовой подушке. Структура металла в результате модифицирующего действия флюса получается более мелкозернистой, чем при сварке в инертных газах,

При электрошлаковой сварке используют пластинчатые электроды из того же титанового сплава, что и свариваемая  деталь, толщиной 8... 12 мм и шириной, равной толщине свариваемого металла. Используют тугоплавкие фторидные  флюсы АНТ2, АНТ4, АНТ6. Чтобы через флюс не проникал кислород, шлаковую ванну дополнительно защищают аргоном. Металл зоны термического влияния защищают, увеличивая ширину формирующих водоохлаждаемых ползунов и продувая в зазор между ними и деталью аргон. Сварные соединения после электрошлаковой сварки имеют крупнокристаллическую структуру, но свойства их близки к основному металлу. Перед электрошлаковой сваркой, так же как и перед дуговой, флюсы должны быть прокалены при температуре 200...300 °С.

Электроннолучевая сварка титановых сплавов обеспечивает наилучшую защиту металла от газов  и мелкозернистую структуру шва. Требования к сборке по сравнению  с другими способами жестче.

При всех способах сварки титановых сплавов  нельзя допускать перегрева металла. Нужно применять способы и  приемы, позволяющие влиять на кристаллизацию металла: электромагнитное воздействие, колебания электрода или электронного луча поперек стыка, ультразвуковое воздействие на сварочную ванну, импульсный цикл дуговой сварки и т.п. Все это позволит получать более мелкую структуру шва и высокие свойства сварных соединений.

Заварку шва начинают с обварки шпилек кольцевыми валиками, а затем накладывают круговые швы и окончательно заполняют завариваемый шов металлом. Сварку следует производить короткими участками (40...60 мм) вразброс с перерывами, чтобы не допустить нагрева детали выше 60...80° С. Величина сварочного тока составляет 30... 40 А на 1 мм диаметра электрода. Диаметр электродов 3...4 мм с покрытием типа УОНИ-13. Для сварки применяют постоянный ток обратной полярности. В целях повышения графитизирующего действия покрытия Я. Я. Синеок предложил производить сварку пучком электродов малого диаметра. Такой прием обеспечивает более полное взаимодействие капель наплавляемого металла с покрытием и хорошую графитизацию металла шва. В зависимости от толщины свариваемого металла пучок электродов составляется из 5...20 стержней диаметром от 1 до 2 мм. Величина тока должна быть 10... 12 А на 1 мм2 сечения пучка электродов. Покрытие состоит из 40% графита и 60% ферросилиция, замешанных на жидком стекле (30% к массе сухих составляющих). Сварка электродами из цветных металлов и сплавов. Наибольшее применение получили электроды из меди и ее сплавов. Медь, обладая графитизирующей способностью, снижает общую твердость металла и уменьшает отбел чугуна. Хорошие результаты дают электроды марки МНЧ с покрытием основного типа. Стержень электрода изготовляют из проволоки НМЖМц-28-2,5-1,5 ГОСТ 492-73, а покрытие состоит из смеси 55...60% мела и 40...45% графита. Применяют также покрытие, содержащее 45% графита, 15% кремнезема, 20% огнеупорной глины, 10% соды и 10% древесной золы. Сварку выполняют постоянным током обратной полярности. Рекомендуются электроды диаметром 3 мм при сварочном токе 90... 120 А. Сварку ведут возможно короткой дугой небольшими участками (20...25 мм). После сварки производят проковку металла шва. Комбинированные электроды для холодной сварки чугуна состоят из меди и железа. Применяют следующие сочетания: стержень из меди марки Ml, железо вводят в покрытие электрода в виде железного порошка; медный стержень покрывают тонкой оболочкой из жести толщиной 0,3 мм (навиваемой в виде ленты шириной 6..7 мм или надеваемого в виде трубки); стержень из низкоуглеродистой стали покрывают оболочкой из тонкой медной ленты или медной трубкой или применяют электролитическое покрытие медью толщиной 0,7... 1,0 мм; пучок электродов составляют из одного стального электрода с покрытием УОНИ-13 и нескольких тонких медных стержней. Большое применение получили электроды ОЗЧ-1 и АНЧ-1. Сварка производится постоянным током обратной полярности. Сварочный ток определяют из расчета 30...40 А на 1 мм диаметра электрода.

3.29. Понятие технологической  прочности при сварке. Факторы влияющие на трещиностойкость сварных швов.

Технологическая прочность сварного шва .

Термин “Технологическая прочность” применяется для характеристики прочности конструкции в процессе её изготовления . В сварных конструкциях технологическая прочность лимитируется в основном прочностью сварных швов . Это один из важных показателей свариваемости стали .

Технологическая прочность  оценивается образованием горячих  и холодных трещин .

1. Горячие трещины .

Это хрупкие межкристаллические разрушения металла шва и зоны термического влияния . Возникают в твёрдо-жидком состоянии на завершающей стадии первичной кристаллизации , а так же в твёрдом состоянии при высоких температурах на этапе преимущественного развития межзернистой деформации .

Наличие температурно- временного интервала хрупкости является первой причиной образования горячих трещин . Температурно- временной интервал обуславливается образованием жидких и полужидких прослоек , нарушающих металлическую сплошность сварного шва . Эти прослойки образуются при наличии легкоплавких , сернистых соединений (сульфидов ) FeS с температурой плавления 1189 С и NiS с температурой плавления 810 С . В пиковый момент развития сварочных напряжений по этим жидким прослойкам происходит сдвиг металла , перерастающего в хрупкие трещины .

Вторая причина образования  горячих трещин - высокотемпературные  деформации . Они развиваются вследствие затруднённой усадки металла шва , формоизменения свариваемых заготовок , а так же при релаксации сварочных напряжений в неравновесных условиях сварки и при послесварочной термообработке , структурной и механической концентрации деформации.

2. Холодные трещины .

Холодными считают такие  трещины , которые образуются в процессе охлаждения после сварки при температуре 150 С или в течении нескольких последующих суток . Имеют блестящий кристаллический излом без следов высокотемпературного окисления .

Основные факторы , обуславливающие появление холодных трещин следующие:

а) Образование структур закалки ( мартенсита и бейнита ) приводит к появлению дополнительных напряжений , обусловленных объёмным эффектом .

б) Воздействие сварочных  растягивающих напряжений .

в) Концентрация диффузионного  водорода .

Водород легко перемещается в незакалённых структурах . В мартенсите диффузионная способность водорода снижается : он скапливается в микропустотах мартенсита , переходит в молекулярную форму и постепенно развивает высокое давление , способствующее образованию холодных трещин . кроме того , водород , адсорбированный на поверхности металла и в микропустотах , вызывает охрупчивание металла .

    Факторы влияющие на трещиностойкость сварных швов.

Сопротивление металла шва образованию  горячих трещин тем больше, чем  меньше и выше расположен температурный интервал хрупкости, а также чем выше пластичность и прочность металла в этом критическом интервале температур. Чем больше содержится серы, углерода, кремния, ниобия и других ограниченно растворимых примесей в металле шва и, следовательно, выше степень их ликвации, тем больше температурный интервал хрупкости, ниже он расположен и меньше пластичность и прочность металла в этом интервале.

Для уменьшения склонности углеродистого, низколегированного и среднелегированного  металла сварных швов к образованию  горячих трещин принимаются следующие  меры:

а) устанавливаются режимы сварки, обеспечивающие получение наиболее благоприятной формы шва;

б) используются сварочные материалы, обеспечивающие минимальное содержание в шве серы и фосфора, а также  углерода, вредное влияние которого заключается в усилении ликвации серы;

в) повышается содержание в шве  марганца, связывающего серу в тугоплавкое  соединение MnS и предотвращающего тем самым ее ликвацию;

г) вводятся в шов модифицирующие элементы (титан, алюминий и др.), измельчающие первичную структуру металла  и предотвращающие образование  ориентированной столбчатой структуры;

д) вводятся в шов элементы, обеспечивающие двухфазную мелкозернистую структуру металла (например, аустенитно-ферритную или аустенитно-карбидную при сварке аустенитных сталей);

е) применяется предварительный  и сопутствующий подогрев изделия  при сварке конструкционных сталей, уменьшающий величину и скорость нарастания растягивающих напряжений в сварном соединении и смещающий  момент их возникновения к тому времени  и к таким температурам, когда  металл шва в межкристаллических зонах приобретает достаточную  пластичность и прочность.

В последнем случае уменьшением  воздействия силового фактора в  опасном интервале температур предупреждается  образование горячих трещин даже при более выраженной дендритной неоднородности (ликвации), обусловленной  замедленным остыванием шва. Это, однако, не относится к сварке аустенитных сталей, предварительный подогрев которых не только не предотвращает образование трещин, а, наоборот, увеличивает вероятность их образования вследствие преобладающего влияния размера столбчатых кристаллитов металла шва по сравнению с влиянием уменьшения величины и интенсивности нарастания напряжений, а также вследствие повышения дендритной неоднородности.

Если горячие трещины в шве (чаще при сварке конструкционных  сталей) вызываются выделившимися в  процессе кристаллизации сульфидами, то предотвратить вредное влияние  последних можно путем выделения  их из расплава на ранней стадии затвердевания  металла. Вследствие этого они располагаются  в виде разобщенных и укрупненных  глобулярных включений, а не в  виде пленок. Это достигается введением  в ванну некоторого количества кислорода, а также модификаторов (титана, циркония и др.). Полезно в этом случае измельчение  зерна металла шва.

При сварке аустенитных сталей кроме обеспечения двухфазной аустенитно-ферритной, аустенитно-карбидной или аустенитно-боридной структуры металла шва (в некоторых случаях это недопустимо), чтобы предотвратить образование горячих трещин, снижают содержание серы, фосфора и кремния в шве (путем снижения их в проволоке), а также применяют легирование шва молибденом, вольфрамом, марганцем и титаном, азотом, а лучше марганцем вместе с азотом. Иногда с этой целью применяют низкокремнистый высокоокислительный флюс АН-18, обеспечивающий выгорание кремния и серы, уменьшение содержания водорода в шве и измельчение его зерна. Для сварки высокохромистых мартенситных сталей с той же целью рекомендуется применять низкокремнистый окислительный флюс АН-17.

Кроме того, применяют ряд дополнительных технологических мер повышения  трещиноустойчивости: уменьшение погонной энергии сварки (тепловложения) путем уменьшения сварочного тока и напряжения, дополнительный подогрев сварочной проволоки, применение сварки спаренными расщепленными в поперечном и продольном относительно оси шва направлении электродами, снижение скорости сварки, благодаря чему уменьшается угол между направлением растущих кристаллитов и продольной осью шва, применение электромагнитного воздействия на дугу и сварочную ванну (электромагнитного перемешивания) и др.

Большинство исследователей полагают, что горячие трещины в углеродистых и низколегированных швах по своей  природе являются преимущественно  кристаллизационными (надсолидусными), т. е. образующимися в момент еще не полностью закристаллизовавшегося металла, и располагаются по жидким прослойкам (пленкам) веществ с весьма низкой температурой плавления по сравнению с температурой плавления основы металла (твердого раствора).

Что касается аустенитного металла швов, то убедительно показано, что в зависимости от их состава, наличия или отсутствия в них легкоплавких соединений эвтектического типа такие швы могут иметь либо подсолидусные горячие трещины, образующиеся после полного затвердевания металла, либо надсолидусные (кристаллизационные), образующиеся в твердо-жидком состоянии металла. Первые из них образуются вследствие наличия повышенного количества вредных примесей (серы, фосфора, кремния, водорода) в твердом растворе пограничных слоев вторичных границ кристаллитов с повышенной разрыхленностью решетки этих границ, обуславливающих низкую их высокотемпературную пластичность и прочность.