Металлургические процессы в зоне сварки плавлением

Особенности металлургии сварки

 

Применение при сварке мощных высококонцентрированных и высокотемпературных источников теплоты приводит к расплавлению кромок свариваемого изделия, электродного (или присадочного) материала и покрытия или флюса. При этом образуется сварочная ванна расплавленного металла, окруженная относительно холодным металлом, иногда значительной толщины, и покрытая слоем расплавленного шлака.

Нагрев основного и присадочного металлов до расплавления с последующим охлаждением и затвердеванием сопровождается фазовыми переходами в веществе. При сварке плавлением происходит взаимодействие расплавленного металла со шлаком, а также с выделяющимися газами и воздухом. Это взаимодействие начинается с момента образования капель металла и продолжается до полного охлаждения наплавленного металла шва. Основными особенностями металлургических процессов, протекающих при сварке, являются:

высокая температура процесса;

небольшой объем ванны расплавленного металла;

большие скорости нагрева и охлаждения;

отвод теплоты в окружающий ванну основной металл;

интенсивное взаимодействие расплавляемого металла с газами и шлаками в зоне интенсивного нагрева;

быстрая кристаллизация сварочной ванны.

Все это усложняет получение сварного шва с заданными физико-механическими свойствами, которые предопределяются химическим составом металла шва и его структурой.

 

 

Химический состав металла шва и его свойства зависят от состава и доли участия в формировании шва основного и присадочного металлов, покрытия и флюсов, степени защиты от воздуха, приемов ведения и режимов сварки. Металл шва образуется в результате перемешивания в сварочной ванне основного и присадочного металлов и реакций взаимодействия нагретого металла с газами атмосферы и защитной средой.

 

Высокая температура источника тепла ускоряет физико-химические процессы, происходящие при плавлении металла. Она вызывает также диссоциацию (распад) молекул кислорода, азота и паров воды. В атомарном состоянии газы, обладая высокой химической активностью, интенсивно взаимодействуют с расплавленным металлом шва. Поэтому одной из серьезных задач при сварке плавлением является защита сварочной ванны от вредного воздействия воздуха и предотвращение попадания в металл шва вредных веществ (влаги, ржавчины, минеральных масел и т. п.). Кроме того, высокая температура способствует выгоранию примесей и тем самым изменяет химический состав свариваемого металла.

 

Небольшой объем ванны расплавленного металла (при ручной сварке -0,5-1,5 см3, при автоматической сварке - 24-300 см3) и интенсивный отвод теплоты в окружающий ванну металл не дают возможности полностью завершиться всем реакциям взаимодействия между жидким металлом, газами и расплавленным шлаком. Большие скорости нагрева и охлаждения значительно ускоряют процесс кристаллизации и, соответственно, приводят к образованию закалочных структур, трещин и других дефектов. Под воздействием теплоты происходят структурные изменения в металле околошовной зоны, которые приводят к ослаблению сварного шва.

 

Рассмотрим взаимодействие расплавленного металла сварного шва с газовой средой, которая состоит главным образом из кислорода, азота и водорода. Кислород, поступающий в зону сварки из воздуха и покрытия электродов, является наиболее вредной примесью, и его повышенное содержание в сварном шве приводит к понижению прочности, пластичности, вязкости и антикоррозионных свойств шва.

 

С железом кислород образует три вида оксидов: FeO, Fe203, Fe304. Наиболее отрицательное воздействие оказывает FeO, который хорошо растворяется в расплавленном металле шва, но растворимость его зависит от содержания углерода в стали и температуры. С ростом температуры растворимость повышается. Поэтому при охлаждении стали происходит выпадение его из раствора. При высоких скоростях охлаждения сварного шва часть оксидов FeO остается в растворе, образуя шлаковые прослойки между зернами металла, при этом повышая порог хладноломкости, т. е. температуру, при которой металл теряет пластичность. Для швов с повышенным содержанием FeO этот порог составляет -10...-15 °С.

 

Азот в зону сварки попадает из воздуха и в зоне сварки находится как в молекулярном, так и в атомарном состоянии. Атомарный азот более активно растворяется в расплавленном металле сварочной ванны, чем молекулярный, образуя при этом нитриды железа (Fe2N, Fe4N), марганца (MnN) и кремния (SiN), которые, в свою очередь, снижают пластичность и повышают твердость наплавленного металла. На степень насыщения металла шва азотом оказывают влияние режимы сварки и охлаждения. Медленное охлаждение шва способствует удалению из него газообразною азота. При больших скоростях охлаждения азот не успевает полностью выделиться и составляет с металлом перенасыщенный твердый раствор. Такой азот со временем становится причиной старения металла шва и снижения его механических свойств.

 

Водород в зоне сварки образуется во время диссоциации водяных паров при высокой температуре дуги. Водяные пары поступают в зону сварки из атмосферной влаги, а также из влаги, содержащейся в покрытии электродов, флюсах, ржавчине на кромках заготовок и т. п. Молекулярный водород при дуговой сварке распадается на атомарный, который хорошо растворяется в расплавленном металле. Атомарный водород, растворяясь в жидком металле, может оставаться в таком состоянии до тех пор, пока температура не опустится примерно до 200 °С. При дальнейшем понижении температуры водород из атомарного состояния переходит в молекулярное, вызывая при этом значительные внутренние напряжения и, как следствие, образование флокенов. Гидриды и флокены снижают прочность и пластичность металла шва, что, в свою очередь, приводит к водородной хрупкости и образованию трещин Для уменьшения содержания в сварном шве водорода пользуются рядом практических приемов:

электроды и флюсы перед сваркой тщательно прокаливают;

кромки свариваемых заготовок и сварочную проволоку очищают от влаги, грязи и ржавчины;

швы выполняют с минимальным числом проходов, так как при наложении последующего шва предыдущий шов в момент вторичного расплавления насыщается водородом;

при выполнении сварочных работ на открытой площадке обеспечивают защиту зоны сварки от атмосферных осадков;

сварку ответственных конструкций выполняют только при положительных температурах.

 

Металлургические процессы в зоне сварки плавлением. Кристаллизация металла сварочной ванны

В процессе сварки по мере перемещения источника тепла вслед за ним перемещается и сварочная ванна. При этом в задней части ванны расплавленный металл охлаждается и, затвердевая, образует сварной шов. Кристаллизация металла сварочной ванны начинается у границы с нерасплавившимся основным металлом в зоне сплавления. Различают кристаллизацию первичную и вторичную. Первичной кристаллизацией называют процесс перехода металлов и сплавов из расплавленного состояния в твердое. Первичная кристаллизация металла сварочной ванны начинается от частично оплавленных зерен основного или ранее наплавленного металла и продолжается по нормали от линии расплавления.

 

Первичная кристаллизация металла сварочной ванны протекает периодически, так как периодически ухудшается теплообмен, периодически выделяется скрытая теплота кристаллизации. Это приводит к слоистому строению металла шва и к появлению ликвации. Толщина закристаллизовавшихся слоев зависит от объема сварочной ванны и скорости охлаждения металла и колеблется от долей миллиметра до нескольких миллиметров.

 

Ликвация - это отделение легкоплавкой составляющей сплава от остальных, встречается в сплавах, имеющих широкий интервал температур плавления. Зональная (слоистая) ликвация проявляется в неоднородности химического состава металла шва в периферийной и центральной зонах. Это является следствием того, что металл периферийных зон затвердевает раньше и поэтому содержит меньше примесей, чем металл центральных зон. Большое влияние на величину ликвации оказывает температурный интервал кристаллизации. Чем меньше температурный интервал кристаллизации, тем ниже уровень ликвации. Например, в низкоуглеродистых сталях, имеющих интервал кристаллизации 25-35 °С, ликвация незначительна. С увеличением содержания в стали углерода температурный интервал кристаллизации возрастает, и степень ликвации повышается.

 

Вторичная кристаллизация происходит после завершения первичной и характеризуется сменой кристаллических решеток и изменением структуры, т.е при вторичной кристаллизации металла происходит изменение форм зерен. Вторичная кристаллизация характерна только для металлов, испытывающие полиморфные превращения (железо, кобальт, титан, марганец и некоторые другие), и в значительной степени зависит от химического состава металла, скорости охлаждения, а также ряда других факторов. Теплота, выделяемая при сварке, распространяется в основной металл. При этом по мере удаления от границы сплавления скорость и максимальная темпера тура нагрева металла снижаются. Вследствие этого в зоне основного металла про исходят фазовые и структурные изменения, которые влияют на прочность сварного соединения. Зону основного металла, прилегающую к сварочной ванне, называют зоной термического влияния. Температура нагрева в зоне сварки колеблете! от температуры точки плавления до начальной температуры основного металл.

 

Строение структуры металла в зоне термического влияния и размеры этой зоны зависят от химического состава, толщины основного металла, способа и режима сварки, а также от термического цикла сварки и других факторов. Зона сплавления расположена рядом с металлом шва и является важным участком зоны. Этот участок формируется из жидкой и твердой фаз, и в нем происходит сращивание основного и наплавленного металлов, протекают диффузионные процессы, развивается химическая неоднородность и происходит образование общих кристаллов. Участок представляет собой узкую полосу, измеряемую десятыми, а иногда и сотыми долями миллиметра в зависимости от способа сварки. Свойства участка зоны сплавления часто оказывают решающее влияние на прочность и работоспособность наплавленного слоя. На этом участке обычно образуются трещины, ножевая коррозия, усталостные разрушения и т. п. Поэтому правильное его формирование имеет большое значение.

 

Участок перегрева включает в себя металл, нагреваемый до температуры, близкой к температуре плавления. Этот участок характеризуется крупнозернистой структурой. Металл на этом участке претерпевает аллотропические превращения: а-железо переходит в у-железо, и в результате значительного перегрева происходит рост зерна. Эта часть зоны термического влияния - наиболее слабое место. Она приобретает большую хрупкость и низкую прочность по сравнению с основным металлом. Перегрев снижает прочность и пластичность металла и особенно опасен для сталей, склонных к образованию закалочных структур. Выбор рациональной технологии сварки сводится, в первую очередь, к обеспечению наименьшего ухудшения свойств металла в этой части.

Участок перекристаллизации или нормализации характеризуется наиболее мелкозернистой структурой, образующейся при температуре 900- 1100°С. При нагреве и охлаждении металла на этом участке происходит перекристаллизация и значительное измельчение зерна. Метал участка приобретает высокие механические свойства и имеет наилучшую прочность и пластичность. Участок неполной перекристаллизации характеризуется температурой 720-880 °С. Этой температуры оказывается недостаточно, чтобы полностью изменить структуру основного металла в мелкозернистую. Поэтому в этой зоне наряду с зернами основного металла имеются зерна, образующиеся при перекристаллизации. Этот участок имеет достаточную прочность и мало влияет на прочность сварного соединения. Участок рекристаллизации формируется в пределах температур 500-700 °С, при которых происходит восстановление формы и размера зерен, разрушенных или деформированных при обработке давлением основного металла. В металле, не подвергавшемся деформации, структурных изменений в этой зоне не происходит.

 

Участок синеломкости, нагреваемый до температуры 500 °С и ниже, структурным изменениям не подвергается. Металл данного участка по структуре не отличается от основного. Однако металл участка имеет несколько пониженные пластичность и вязкость и повышенную склонность к образованию трещин. При сварке низкоуглеродистых сталей с повышенным содержанием газов возможно резкое падение ударной вязкости, которое можно объяснить старением металла после холодной деформации. Структурные изменения основного металла в зоне термического влияния мало отражаются на механических свойствах низкоуглеродистой стали при сварке ее любыми способами. Однако при сварке некоторых конструкционных сталей в зоне термического влияния может происходить образование закалочных структур, которые резко снижают пластические свойства сварных соединений и часто являются причиной образования трещин.

Свариваемость металлов и сплавов

Под свариваемостью понимают способность металлов образовывать соединения, механические и другие эксплуатационные свойства которых находятся на уровне основного металла. Свариваемость может быть оценена конкретными количественными характеристиками. В зависимости от назначения и условий эксплуатации конструкции определяют:

склонность к образованию горячих и холодных трещин в металле шва и зоне термического влияния;

склонность к образованию пор;

механические свойства;

коррозионную стойкость;

химический состав и другие свойства.

 

 

Свариваемость определяется не только свойствами металла - она зависит от способа и режима сварки, состава сварочных материалов, конструктивного оформления сварного узла, условий эксплуатации изделий. Различают физическую, технологическую и эксплуатационную свариваемость. Физическая свариваемость определяется процессами, происходящими на границе соприкосновения свариваемых изделий при различных физико-химических методах соединения металлов (физический контакт, химическое взаимодействие, рекристаллизация и т. п.). Под технологической свариваемостью понимают возможность получения сварного соединения определенным способом сварки. Технологическая свариваемость влияет на выбор параметров режима сварки и технологическую последовательность выполнения работ. Под эксплуатационной свариваемостью понимают условия допустимого применения материалов в сварных конструкциях и сварных изделиях .