Кристаллизация металла шва, его структура и механические свойства.

Процесс образования шва при сварке плавлением можно разбить на четыре этапа:

- расплавление основного металла на некоторую глубину (глубину проплавления или провара) и вытеснение жидкого металла назад по ходу сварки;

- заполнение образовавшегося углубления смесью расплавленного основного и наплавляемого металла, т. е. металлом шва;

- первичная кристаллизация металла шва;

- вторичная кристаллизация металла.

Вытеснение металла и образования углубления обусловлено давлением, оказываемым потоком плазмы, направленным от электрода к изделию и высокой концентрацией теплоты. Концентрация теплоты и давление зависят от плотности тока и напряжения на дуге.

Отношение ширины шва В к глубине провара H (Рис.3.7.) называется коэффициентом формы провара ψ = В/H.

Его величина оказывает существенное влияние на характер кристаллизации металла. Механические свойства металла шва: предел текучести, временное сопротивление разрыву, пластичность, ударная вязкость непосредственно зависят от химического состава и структуры металла шва.

Первичная кристаллизация шва (формирование первичной структуры), происходит в условиях, с одной стороны, подогрева металлической ванны дугой, а с другой – её охлаждения массой основного металла.

При кристаллизации металла в сварном шве возникает ликвация – неравномерность в распределении примесей.

Ликвация вызывается различной растворимостью примесей в твёрдой и жидкой фазах и образованием ликвирующими примесями легкоплавких эвтектик. Наличие серы, фосфора и углерода приводит к усилению ликвации.

При сварке на малых погонных энергиях ликвация может практически не происходить. Увеличение погонной энергии уменьшает скорость охлаждения металла при кристаллизации, усиливает ликвацию. В свою очередь это приводит к укрупнению дендритов, это вредное явление. Оно снижает ударную вязкость металла шва и увеличивается вероятность появления горячих трещин. Эффективным средством борьбы с этим явлением является поведение модификации шва путём введения в электродные стержни и покрытия флюсов модификаторов (тугоплавких нитридов, окислов и чистых элементов с кристаллической решёткой, изоморфной свариваемому сплаву). Другим способом является измельчение зерна основного металла – зерно основного металла измельчают проковкой кромок перед сваркой.

Увеличение числа слоёв при многопроходной сварке также сопровождается уменьшением погонной энергии процесса при выполнении каждого слоя, что несколько уменьшает временное сопротивление разрыву, но при этом пластичность металла шва возрастает.

Строение и свойства металла околошовной зоны.Под влиянием термического воздействия (нагрев и охлаждение) сварки основной металл в околошовных зонах претерпевает значительные структурные изменения. Сущность этих изменений выясняется при сопоставлении кривой максимальных температур нагрева точек околошовной зоны с диаграммой структурных превращений основного металла.

В качестве примера ниже рассмотрен случай сварки углеродистой стали (Рис.4.1). Анализируя этот рисунок можно выделить несколько участков с различной структурой.

 

Непосредственно ко шву примыкает участок 1,металл которого нагревался от температуры начала интенсивного роста зерна (1100 – 1200⁰С) до температуры плавления. Этот участок называется участком перегрева или участок крупного зерна (видманшетовая структура).

Участок 2 (нагрев в интервале 1100 – Т_А3) характеризуется измельчённым зерном и называется участком мелкого зерна.

На участке 3 (нагрев в интервале Т_А3 - Т_А1) происходит неполная перекристаллизация. На этом участке часть феррита остаётся в исходном состоянии. Этот участок называется участком неполной перекристаллизации.

Структурные составляющие , получающиеся при распаде аустенита на каждом участке, определяются скоростью охлаждения металла и его химическим составом. Соответственно изменению структуры и размеру зёрен изменяются и механические свойства основного металла в околошовной зоне. На Рис.4.1. схематично показано изменение твёрдости и ударной вязкости металла в околошовной зоне: а) при сварке незакаливающейся стали; б) при сварке закаливающейся стали; в) при сварке предварительно закаленной стали. В последнем случае, кроме участков 1, 2, 3, появляется участок отпуска 4 с пониженной твёрдостью. На участке перегрева происходит заметное понижение ударной вязкости металла, а на участке мелкого зерна наоборот её повышение.

Совокупность всех участков околошовной зоны с изменившимися в результате сварки структурой и свойствами называют зоной термического влияния (ЗТВ). Ширина ЗТВ зависит от теплового режима сварки ( от погонной энергии процесса), от теплофизических свойств металла и его реакции на термический цикл. При РДС и автоматической сварке под флюсом корпусных сталей суммарная ширина участков 1 – 3 (ЗТВ) колеблется в пределах 1-3 мм и свойства металла околошовной зоны не оказывают отрицательного влияния на работоспособность сварных соединений. Погонная энергия ЭШС металла большой толщины ( >30 мм) в несколько раз превышает погонную энергию дуговой сварки; поэтому размеры ЗТВ в этом случае в несколько раз больше. Для определения ширины ЗТВ есть формулы в учебниках по сварке [ 1, 4, 9 ].

Технологическая свариваемость – это возможность получения сварного соединения заданного качества из данного материала с применением существующих технических средств при наименьших затратах. Хорошей свариваемостью обладают те материалы, для доброкачественного соединения которых не требуется создания специального оснащения и расхода дополнительных материальных и трудовых затрат. Материалы, для сварки которых требуется специальное оснащение, специальные приёмы и особая последующая обработка (сварка с подогревом, термообработка и пр.), считаются ограниченно сваривающимися.

Существуют разнообразные комплексы испытаний на свариваемость. Их содержание зависит от назначения и условий работы сварных соединений в конструкции.