Кристаллизация металлов при сварке

Для предотвращения таких трещин швы, кроме снижения содержания отмеченных вредных примесей, легируют молибденом, вольфрамом, марганцем или лучше  марганцем совместно с азотом, применяют электромагнитное воздействие  на дугу и сварочную ванну, выполняют  сварку на скорости 10 м/ч и менее.

Момент возникновения горячих  трещин в аустенитных швах, в которых образуется эвтектическая фаза, зависит от температуры плавления этой фазы и от величины и темпа нарастания растягивающих сварочных напряжений и деформаций в металле шва. В швах, содержащих значительные количества эвтектических соединений с низкой температурой затвердевания, намного ниже температуры затвердевания основы металла шва, трещины образуются в момент пребывания его в твердо-жидком состоянии.

В случае же, когда образующаяся эвтектическая  фаза имеет сравнительно высокую  температуру затвердевания (например, 1114°С в швах 03X8H20C6 на стали такого же состава), лишь немногим ниже температуры кристаллизации основы металла (1337—1289°С), то при малых значениях растягивающих продольных деформаций металла шва, например при дуговой сварке сравнительно тонких широких пластин продольным швом с полным проваром, горячие трещины в нем образуются после полного затвердевания, в том числе и после затвердевания эвтектической фазы.

При высоких значениях растягивающих  деформаций металла таких швов (при  сварке узких пластин) горячие трещины  в них образуются во время пребывания металла в твердо-жидком его состоянии. Для предотвращения таких горячих трещин прибегают к усложненной технологии сварки — применению электромагнитного перемешивания металла сварочной ванны и сварке на скоростях менее 10 м/ч, а также вводят в металл шва модификаторы, измельчающие его структуру.

При сварке углеродистых и низколегированных  конструкционных сталей, чтобы предотвратить  образование горячих трещин, чаще швы легируют марганцем, применяя для  этого соответствующую проволоку  и флюс.

На рис. 40 схематически показана зависимость  между содержанием углерода, серы и марганца и образованием горячих  трещин в сварных угловых швах, выполняемых на конструкционной  стали автоматической сваркой под  флюсом АН-348. При увеличении содержания серы и углерода для предотвращения образования горячих трещин в  швах на конструкционных сталях необходимо повысить содержание марганца. Увеличение содержания углерода более 0,16% в таких  швах даже при содержании до 0,03% серы затрудняет предотвращение образования  горячих трещин. Для этого необходимо уменьшить погонную энергию сварки, повысить коэффициент формы шва (отношение его ширины к глубине  проплавления), выполнять сварку на режимах, обеспечивающих направление  роста кристаллитов так, чтобы их оси имели бы максимальный изгиб  в центре шва, т. е. минимальный угол направления кристаллитов с осью центра шва по его длине.

Холодные трещины могут образовываться в закаливающихся сварных швах и в околошовной зоне основного металла, склонного к закалке. Появление их связано с увеличением объема металла при образовании мартенсита.

Предупредить образование холодных трещин в швах можно выбором наиболее рационального метода легирования  металла шва, применением сварочных  материалов с минимальным содержанием  водорода и влаги; применением (при  необходимости) предварительного и  сопутствующего подогрева изделий  при сварке; выбором оптимального режима сварки и правильной последовательности наложения швов; применением проковки швов для снятия напряжений и другими  технологическими методами.

4.10. Типы столбчатых  кристаллитов и особенности их  кристаллизации.

Металл швов, выполненных сваркой  плавлением, имеет столбчатое строение (рис. 2-43). Столбчатые кристаллиты отличаются сравнительно крупными размерами и  легко различимы при изучении макроструктуры. В зависимости от способа и режима сварки размеры  столбчатых кристаллитов изменяются в  достаточно широких пределах. Так, при  дуговой сварке их размер обычно равен 0,3—3 мм в поперечнике. Для электрошлаковой сварки характерны значительный объем сварочной ванны и длительное пребывание расплавленного металла при высоких температурах. Соответственно этому размер столбчатых кристаллитов достигает 3—7 мм в поперечнике. Рост кристаллитов происходит нормально к криволинейной поверхности раздела основного металла и металла сварочной ванны, а при многопроходной сварке — к границе

раздела между металлом ранее закристаллизовавшегося слоя и металлом кристаллизующегося слоя.

При дуговой однослойной сварке столбчатые кристаллиты прорастают через кристаллизационные слои, не изменяя своего направления. При  многопроходной сварке рост кристаллитов последующего слоя начинается от частично оплавленных кристаллитов предыдущего. Направления кристаллитов отдельных  слоев, как правило, не совпадают, так  как конфигурация слоев различна (рис. 2-44).

Столбчатый кристаллит представляет собой группу неполногранных дендритов. У границы сплавления дендриты, как правило, имеют только стволы и малоразвитые ветви первого порядка. По мере удаления от границы сплавления дендриты разветвляются, выбрасывая ветви второго и третьего порядков.

При электрошлаковой сварке в зависимости  от ее режима, химического состава  и толщины свариваемого металла  наблюдается четыре типа макростроения металла шва. Первый тип макростроения характерен наличием трех участков (рис. 2-45, а). У границы сплавления и у ползунов располагается участок толстых столбчатых кристаллитов. Каждый такой кристаллит является колонией дендритов, имеющих стволы и слабовыраженные оси первого порядка (рис. 2-46, а). На некотором расстоянии от границы сплавления толстые столбчатые кристаллиты переходят в более тонкие кристаллиты, представляющие собой колонии развитых имеющих оси второго и третьего порядка Дендритов (рис. 2-46, б).

Прорастая в глубь шва, они доходят до участка равноосных кристаллитов, занимающего полосу шириной 0,5—10 мм по оси шва Равноосные кристаллиты имеют дендритное, значительно разветвленное строение

Второй тип строения наблюдается  наиболее часто и характеризуется  наличием только участка толстых  и тонких столбчатых кристаллитов (см рис 2-45,6) При третьем типе строения имеется только участок тонких столбчатых кристаллитов, прорастающих от границы сплавления до оси шва (аналогично строению швов при дуговой сварке). Четвертый тип строения характеризуется наличием лишь участков толстых столбчатых кристаллитов Во всех случаях металл участка толстых кристаллитов обладает более высокой однородностью и плотностью, чем металл других участков