Структура металла в зоне сварного шва
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 – 1200 0 С) до температуры плавления. Этот участок называется участком перегрева или участок крупного зерна (видманшетовая структура).
Участок 2 (нагрев в интервале 1100 – ТА3) характеризуется измельчённым зерном и называется участком мелкого зерна.
На участке 3 (нагрев в интервале ТА3 - ТА1) 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.
Лекция "Структура сварного соединения"
В работе представлен материал о строении сварного соединения, структуре зоны термического влияния.
Просмотр содержимого документа
«Лекция "Структура сварного соединения"»
Структура сварного соединения
Сварным соединением называется неразъемное соединение двух деталей, выполненное сваркой.
Оно включает в себя
2- зона термического влияния, прилегающая к сварному шву, в которой в результате теплового воздействия сварки произошли структурные и другие изменения,
3- примыкающие к зоне термического влияния участки основного металла .
Рис. 1 Шов при сварке плавлением (18)
2. Зона термического влияния;
3. Основной металл.
Шов является литым сплавом основного и присадочного металлов, а зона термического влияния представляет собой участок основного металла с изменнеными в результате сварки свойствами. При сварке плавлением металл в зоне сварки доводится до жидкого состояния. Расплавление основного металла осуществляется по кромкам соединяемых элементов.
Сварка может осуществляться только за счет расплавления основного металла (а) или за счет расплавления основного и дополнительного металлов (б).
Рис.2. Стыковой шов (18)
а) образование сварного шва за счет расплавления основного металла;
б) образование сварного шва за счет расплавления основного металла и дополнительного.
В практике преимущественное применение находит второй вариант. Расплавленные основной или основной и дополнительный металлы самопроизвольно без приложения внешних сил сливаются в общую сварочную ванну, смачивающую оставшуюся твердой поверхность соединяемых элементов. При этом происходит сближение атомов металла сварочной ванны и основного металла до расстояния, при котором возникают атомно - молекулярные связи. В процессе расплавления металла устраняются неровности поверхности, органические пленки, адсорбированные газы, окислы и другие загрязнения, мешающие сближению атомов. Межатомному сцеплению способствует повышенная подвижность атомов, обусловленная высокой температурой расплавленного металла.
По мере удаления источника нагрева жидкий металл остывает и происходит его затвердение – кристаллизация. Начинается она от частично оплавленных зерен основного металла, что приводит к образованию общих кристаллов. После завершения кристаллизации сварочной ванны образуется монолитный, имеющий литую структуру шов, соединяющий в единое целое ранее разобщенные детали.
Схема процесса кристаллизации сварочной ванны
Рис. 3. Процесс кристаллизации сварочной ванны (19)
1. В металле шва и прилегающем к нему основном металле структурные изменения проходят в небольшом температурном интервале, начиная примерно с 850-900°С до 723°С, после чего сталь приобретает постоянную микроструктуру. Для металла шва, особенно многослойного, характерны мелкозернистая структура и равномерное распределение зёрен феррита и перлита. Прилегающий к шву участок основного металла, не подвергавшийся расплавлению, структура и свойства которого изменились в результате нагрева при сварке или наплавке, называют зоной термического влияния при сварке. Эта зона имеет несколько участков с различной структурой и свойствами.
2. Участок зоны сплавления; здесь происходит сварка – формирование кристаллитов, соединение основного металла и металла ванны; свойства этой зоны сплавления часто определяют качество сварного соединения, включает в себя участок неполного расплавления и наплавленного металла.
3. Участок перегрева, подвергавшийся нагреву до температуры 1100-1400°С, имеет крупнозернистую структуру и при повышенной погонной энергии в стали с увеличенным содержанием углерода может стать причиной низкой пластичности и вязкости сварного соединения.
4. Участок (нормализации) перекристаллизации, подвергавшийся воздействию температур 850-1100°С. Эта температура благоприятно влияет на образование мелкого зерна, что обеспечивает высокие механические свойства участка.
5. Участок неполной перекристаллизации, подвергавшийся воздействию температур 720-850°С, характеризуется частичным появлением новых зёрен в основном металле.
6. Участок старения при рекристаллизации, подвергавшийся воздействию температур 450-700°С. Здесь происходит рост зёрен феррита из их раздробленных частей (рекристаллизация), полученных при пластической деформации металла, и процесс старения, заключающийся в выделении избыточного C и N в виде нитридов и карбидов вокруг решётки стали, что сопровождается повышением прочности и снижением пластичности. При сварке литых сплавов, не подвергавшихся пластической деформации, этот участок отсутствует.
7. Участок синеломкости, подвергавшийся нагреву до 100-450°С, не имеет заметных структурных изменений, однако при сварке низкоуглеродистой стали, содержащей повышенный процент газов (O2, N2, H2), наблюдается на этом участке выделение их избытка в структурную решётку металла, что также повышает прочность, но снижает пластичность и вязкость металла.
В зависимости от мощности источника тепла, степени его концентрированности и скорости движения, длительность нагрева и охлаждения зоны термического влияния изменяются от долей секунды до нескольких минут. Таким же образом меняется её ширина – от 1-3 мм при ручной дуговой и до 10-20 мм при электрошлаковой сварке.
В зависимости от вида сварки и погонной энергии возможны два предельных случая: резкая закалка при быстром охлаждении околошовного участка или перегрев при медленном охлаждении.
Структура сварного соединения
Соединения, выполняемые сваркой плавлением состоит из четырех зон: металл шва, зона сплавления, зона термического влияния и основной металл.
Основной металл – металл, подвергающийся сварке.
Зона термического влияния - участок основного металла не подвергающийся расплавлению, структура и свойства которого изменяются в результате нагрева и пластической деформации при сварке.
Зона сплавления – металл, находящийся на границе основного металла.
Под металлом шва понимают сплав, образованный переплавленным основным и присадочным металлом или только основным металлом.
В зоне термического влияния из низкоуглеродистой стали различают следующие участки: 1-неполного расплавления, 2-перегрева, 3-полной перекристаллизации (нормализации), 4-неполной перекристаллизации, 5-рекристаллизации и 6-синеломкости (рис.6).
Рис. 6.Температурные границы участков сварного соединения
Участок неполного расплавления – переходный от расплавленного металла к основному.На этом участке происходит образование соединения и проходит граница сплавления, он представляет собой узкую область (0,1…0,4мм) основного металла, нагретого до частичного расплавления зерен, здесь происходит их значительный рост и скопление примесей, поэтому он обычно является наиболее слабым местом сварного соединения с пониженной прочностью и пластичностью. Участок перегрева – область основного металла, нагреваемого до температуры 1100…1450°С, в связи с чем металл отличается крупнозернистой структурой и пониженными механическими свойствами (пластичностью и ударной вязкостью). Участок нормализации – область металла, нагреваемый до температур 900…1100°С. Металл этого участка обладает высокими механическими свойствами, т.к. при нагреве и охлаждении на нем образуется мелкозернистая структура в результате перекристаллизации. Участок неполной перекристаллизации – зона металла нагреваемого при сварке до температур 725…900°С. В связи с неполной перекристаллизацией, вызванной недостаточным временем и температурой нагрева структура характеризуется смесью мелких перекристаллизовавшихся зерен и крупных зерен, которые не успели перекристаллизоваться. Металл этого участка имеет более низкие механические свойства, чем металл предыдущего участка. Участок рекристаллизации – область нагреваемого в пределах температур 450…725°С. Если сталь перед сваркой испытывала холодную деформацию (прокатку, ковку, штамповку), то на этом участке развиваются процессы рекристаллизации, приводящие к росту зерна, огрублению структуры, и, как следствие, к разупрочнению. Участок синеломкости – область температур 200…450°С, является переходным от зоны термического влияния к основному металлу. На этом участке могут протекать процессы старения, связанные с выпадением карбидов железа и нитридов, что вызывает понижение механических свойств этой области. Если перед сваркой металл был отожжен, то существенных изменений на последних двух участках не происходит.
Ширина зоны термического влияния зависит от вида сварки, толщины металла и режимов сварки.
При ручной дуговой сварке зона термическогго влияния составляет обычно 5…6мм, при сварке под флюсом около 10мм, при газовой сварке до 25мм.[4]
Контрольные вопросы (вопросы для самопроверки)
1. Какое сварное соединение называется стыковым ?
2. Чем отличается стыковое соединение от нахлёсточного ?
3. Какое сварочное соединение называется тавровым ?
4. Чем отличается угловое соединение от торцового ?
5. Что называется сварным швом ?
6. Какие существую разновидности сварных швов ?
7. К каким соединениям применим угловой шов ?
8. как подразделяются сварные швы по положению в пространстве ?
9. Как подразделяются сварные швы по отношению к действующим
10. Как классифицируются сварные швы по форме наружной поверхности ?
11. Какими буквами обозначаются основные виды сварного соединения ?
12. Для чего устанавливаются условные изображения и обозначения швов
сварных соединений на чертежах ?
13. Какие конструктивные элементы характеризуют форму кромок ?
14 Какие существуют формы разделки кромок ?
15. Какую роль выполняет зазор при сборке под сварку ?
16. Что такое притупление кромок и для чего оно делается ?
17. Назвать конструктивные элементы сварного шва.
Сварочные материалы.
Свойства металлов и сплавов определяются их химическим составом и структурой. Так как в ряде случаев даже относительно благоприятная литая структура сварного шва все же хуже улучшенной структуры основного металла, то одним из наиболее действенных средств улучшения его свойств является подбор химического состава металла шва, позволяющего относительно сблизить его свойства со свойствами основного металла, обычно улучшенного дополнительной обработкой.
Поэтому, как правило, при выполнении сварки стремятся получить состав металла шва, отличающийся от основного металла, но имеющий необходимые свойства, например прочностные, близкие к эталону — основному металлу.
Регулировать состав металла шва можно используя необходимые для этих целей сварочные материалы.
Металл сварных швов при сварке плавлением формируется либо за счет расплавления только основного металла, либо, более часто, за счет расплавления основного и добавочного (присадочного металла).
Выбирая для каждого конкретного способа сварки соответствующие сварочные материалы, можно активно воздействовать на состав металла шва и, как следствие, обеспечивать его свойства, т. е. выбор сварочных материалов определяет возможность активного регулирования состава и свойств металла шва.
Иными словами, подбор сварочных материалов является важным средством активного вмешательства также и в свойства металла зоны сплавления.
Читайте также: