1. Які металургійні процеси відбуваються при зварюванні?

2. Охарактеризуйте особливості металургійних процесів при зварюванні.

3. Які способи уникнення забруднення металу шва?

4. Що називають легуванням металу шва?

   2. Кристалізація металу шва

Кристалізацією називається процес утворення твердих части­нок (зерен) із розплавленого металу під час його переходу з рідкого стану у твердий. Зварна ванна поділяється на дві частини: передню (головну) і хвостову. В передній частині проходить плавлення мета­лу, а в хвостовій — кристалізація (формування шва). Розрізняють первинну і вторинну кристалізацію.

Первинною кристалізацією називається перехід металу з рідко­го стану у твердий. При цьому утворюються^ кристаліти (зерна). Первинна кристалізація проходить при високих швидкостях охо­лодження окремими тонкими шарами. Після утворення першого шару відбувається затримка в охолодженні через виділення при­хованої теплоти. Потім кристалізується другий шар і т. д. до ново­го затвердіння зварної ванни (рис. 4.1). Товщина шарів становить від десятих часток міліметра до декількох міліметрів. Початком кристалізації є неповністю оплавлені зерна на кромках основного металу.

Рис. 4.1. Схема росту кристалітів:

1 — границя сплавлювання; 2 — зерна основ­ного металу; 3 — кристалізаційні шари; 4 — кристаліти

Залежно від форми і розташування зерен розріз­няють зернисту, або стовпча­сту, і дендритну структури.

Зерниста структура не має конкретної орієнтації і нага­дує багатогранники. Вона зустрічається в основному металі та металі шва при швидкому охолодженні.

Стовпчаста й дендритна структури мають витягнуті в одному напрямку зерна. Такі структури властиві швам при зварюванні під флюсом, електрошлаковому зварю­ванні, де проходить повільне охолодження металу шва.

При великому об’ємі зварної ванни і низькій швидкості охолодження збільшується розмір зерен і знижуються механічні властивості шва. Для подрібнення струк­тури в рідкий метал вводять модифікатори (алюміній, титан, ванадій та ін.).

При кристалізації може виникати ліквація — нерівномірний розподіл складових сплаву (неоднорідний хімічний склад) та усад­ка — зменшення об’єму при затвердінні. При цьому утворюються тріщини, раковини, виникають внутрішні напруження. При зни­женні температури проходить алотропічне перетворення (зміна кристалічної решітки), яке супроводжується зміною будови металу. Таке явище називається вторинною кристалізацією, або пере­кристалізацією. Вторинна кристалізація починається з розпаду первинної структури і завершується при низьких температурах із утворенням стійких структур.

Зерна металу шва за формою відрізняються від зерен основного металу, які витягнуті у напрямку прокатування.

зо

2. Структура шва та зона термічного впливу

Зварне з’єднання поділяють на чотири зони (рис. 4.2):

• метал шва — це сплав, утворений переплавленим основним і наплавленим металами або тільки основним металом;

• 

  4 3 2 1 2 3 4

  

  1 — метал шва; 2 — зона сплавлювання; З — зона термічного впливу; 4 — основний метал

  Рис. 4.2. Будова зварного з’єднання:

  зона сплавлювання — це

метал, який знаходиться на межі шва і основного металу;

• зона термічного впливу —

це ділянка основного металу, яка не підлягає розплавленню; її структура й властивості змінюються під впливом нагрі-

нання при зварюванні;

• основний метал — це метал, який підлягає зварюванню.

Зона термічного впливу має декілька структурних ділянок, які

відрізняються за формою і будовою зерен (рис. 4.3):

• неповного розплавлення знаходиться в твердо-рідкому стані і визначає якість зварного з’єднання. У цій зоні проходить сплав­лення кристалів металу шва із зернами основного металу; темпера­тура в ній вища за температуру плавлення металу;

• перегріву — область основного, сильно нагрітого (1100-1500°С) металу з крупнозернистою структурою і зниженими механічними властивостями. В цій зоні можливе утворення гарто­ваних структур;

0

2

► %С

Рис. 4.3. Будова зони термічного впливу зварного з’єднання

• нормалізації — область основного металу (930-1100°С), набирає дрібнозернистої структури з найвищими механічними вла­стивостями; ;

• неповної перекристалізації — область основного металу (720-930°С), у якій навколо крупних зерен розташовуються дрібні, утворені в результаті перекристалізації;

• рекристалізації — частина основного металу (450-720°С), для якої характерним є відновлювання форми і розмірів зруйнова­них зерен металу, що раніше піддавався обробці тиском;

• синьоламкості — видимих структурних змін не має (200-450°С), але характеризується зниженням пластичних власти­востей.

Для покращення структури і властивостей металу шва і біля­шовної зони використовують гаряче проковування металу шва, загальну термообробку в печах і повільне охолодження.

Коли зварюють середньо- і високовуглецеві сталі в зоні терміч­ного впливу утворюються гартовані структури, які підвищують твер­дість, крихкість, спричинюють внутрішні напруги й тріщини. Тому зварювання виконують з попереднім і супровідним підігрівом, а після зварювання повільно охолоджують. Ширина зони термічного впливу залежить від способу та режимів зварювання й становить, мм:

• при ручному дуговому зварюванні — 3-6;

• при зварюванні під флюсом — 2-4;

• при зварюванні в захисних газах — 1-3;

• при електрошлаковому зварюванні — 11-14;

• при газовому зварюванні — 8-28.

Ширина зони термічного впливу збільшується при збільшенні зварювального струму і зменшується з підвищенням швидкості зва­рювання.