§ 149. Технологические особенности дуговой сварки сталей

В процессе сварки металл шва и околошовная зона претерпевают раз­личные фазовые изменения. Расплавленный Дугой металл некоторое время ^находится в жидком состоянии и после перемещения дуги начинает охла­ждаться и затвердевать. В жидкой ванне расплавленного металла происходит его окисление и азотирование, выгорание легирующих примесей или, наоборот, путем введения в защитные обмазки и флюсы легирующих при­месей — легирование металла, раскисление окислов железа и т. п. При охлаждении ванны в ней происходит процесс кристаллизации металла.

В основном металле в зоне, прилегающей к шву, под действием терми­ческого цикла сварки происходят структурные изменения.

Процесс плавления металла, условия охлаждения металла шва и струк­турные изменения в околошовной зоне определяют свойства сварного со­единения.

Фиг. 257. Структурные превращения в зоне термического влияния

При сварке сталей перлитного класса структура наплавлен­ного металла и структурные изменения (фиг. 257) в около­ шовной зоне характеризуются следую­щим: наплавленный металл шва имеет характерную для литого металла столбчатую, дендритную, феррито-перлитную струк­туру. Структура основного металла в зоне термического влияния определяет­ся температурой нагрева того или иного участка этой зоны, а также скоростью охлаждения.

Как вид­но из фиг. 257, участок неполного расплавления является переходным от металла, наплавленного к основному. Этот участок из смеси твердой и жидкой фаз, характеризующийся крупной зернистостью, в значительной мере определяет свойства сварного соединения.

Далее следует участок перегрева с укрупненным зерном, несколько сни­жающим вязкость пластичность этой зоны.

Участок нормализации, нагреваемый выше критической точки Ас_а, характеризуется измельчением зерна и повышением механических свойств основного металла по сравнению с металлом, не затронутым теплом сварки.

Участок неполной перекристаллизации включает металл, получивший нагрев от точки Ас₁ до точки Ас₃. Частичная перекристаллизация харак­терна тем, что в этом участке наряду с крупными зернами феррита имеются мелкие зерна феррита и перлита, прошедшие перекристаллизацию. Различие "в величине зерен снижает механические свойства металла.

Участок рекристаллизации при отсутствии пластической деформации этого участка перед сваркой не имеет структурных отличий от основного металла. Также не отличается по структуре участок синеломкости.

Величина зоны термического влияния около шва колеблется для раз­личных сталей и способов дуговой электросварки от 2 до 6 мм. Малоугле­родистая сталь хорошо сваривается всеми способами сварки, и структурные изменения в околошовной зоне мало отражаются на механических свойствах швов на этой стали. При сварке конструкционных сталей повышенной прочности в зоне термического влияния может происходить образование закалоч­ных структур, которые резко снижают пластические свойства сварных сое­динений и часто являются причиной образования трещин. Конструкционные низколегированные стали относятся к перлитному классу, содержат один, два и более легирующих элемента. Легирование производят марганцем, кремнием, хромом, никелем, молибденом, ванадием, титаном, медью и дру­гими элементами.

Влияние легирования на свойства стали зависит от количества легирую­щих примесей и углерода. Различные легирующие примеси в стали по-раз­ному влияют на ее свариваемость.

При данном химическом составе стали на свариваемость влияет также и состояние стали перед сваркой. Состояние стали после отжига или смягчаю­щего отпуска повышает свариваемость. У сталей, не подвергавшихся тер­мической обработке, у сталей в литом или прокатном виде, а также после ковки или штамповки способность к свариванию понижается.

Возможность образования трещин при сварке конструкционных сталей зависит также от технологии сварки и конструктивных особенностей изде­лия. Плохое качество электродов, неправильный режим и последовательность сварки, наличие дефектов в шве в виде непроваров и подрезов приводят во время эксплуатации к образованию трещин.

Образование трещин в процессе сварки можно предотвратить рациональной технологией сварки и соответствующим конструктивным оформле­нием свариваемого изделия. Рациональность технологии сварки оценивается специальными пробами на свариваемость, которые выявляют склонность стали к изменению после сварки пластичности, ударной вязкости, усталост­ной прочности и склонности к образованию трещин.

Для определения свойств околошовной зоны при сварке конструкцион­ных сталей применяют расчетный метод, разработанный проф. Н. Н. Рыкалиным на основе созданной им теории распространения тепла при сварке.

Сущность этого метода состоит в том, что по известным теплофизическим свойствам для данной стали определяют критическую скорость охлаждения околошовной зоны в

зависимости от погонной энергии дуги, т. е. от отноше­ния , где q = 0,24IU — количество тепла, выделяемое дугой; v - ско­рость сварки. Уменьшая или увеличивая погонную энергию дуги, можно уменьшать или увеличивать скорость охлаждения околошовной зоны и тем самым регулировать структурные превращения в ней. Большая скорость охлаждения может для некоторых сталей образовать твердую закалочную структуру - мартенсит, который сильно повышает хрупкость этой зоны и увеличивает возможность образования трещин.

Путем расчета можно выбрать наивыгоднейший режим сварки, при котором будет обеспечена благоприятная структура околошовной зоны с высокими механическими свойствами.