12.3. Особенности кристаллизации и формирования первичной структуры металла шва

УСЛОВИЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ МЕТАЛЛА СВАРОЧНОЙ ВАННЫ

В результате воздействия сварочного источника теплоты сва­риваемый металл расплавляется. Металл, ограничиваемый изо­термической поверхностью , образует сварочную ванну.

Сварочная ванна перемещается по свариваемому изделию вместе с источником теплоты. После затвердевания расплав­ленного металла сварочной ванны образуется шов. Поперечное сечение переплавленного металла условно делят на площадь наплавки и площадь проплавления основного металла (рис. 12.13). Очертания зоны проплавления основного металла характеризуется коэффициентом формы проплавления = = или относительной глубиной проплавления , а также коэффициентом полноты проплавления . Очертание зоны наплавки характеризуется коэффициентом формы валика и полноты валика Глубина и форма проплавления зависят от сосредоточенности источника теплоты, определяемой способом сварки и силой сварочного тока. Так, заглубление сварочных ванн имеет место при электронно-лучевой и лазерной сварке, а также при дуговой сварке легких металлов с использованием тока большой плотности. На рис. 12.14 пока­заны формы поперечных сечений швов при различных способах сварки.

На кристаллизацию расплавленного металла сварочной ван­ны оказывают влияние следующие условия:

1. Наличие в ванне центров кристаллизации в виде зерен ос­новного металла на границе сплавления (гетерогенный характер кристаллизации).

2. Одновременный с кристаллизацией ввод теплоты в свароч­ную ванну движущимся сварочным источником энергии, скорость движения которого определяет скорость перемещения фронта кристаллизации.

3. Малый объем и непродолжительное существование рас­плавленной ванны, большие средние скорости роста кристаллов.

4. Значительный градиент температур в ванне, большой пере­грев металла в центре шва.

5. Интенсивное перемешивание металла ванны.

6. Воздействие на кристаллизующийся металл термодеформа­ционного цикла сварки.

В процессе кристаллизации металла шва формируется его первичная структура, определяемая формой, размерами, взаим­ным расположением кристаллитов, характером дендритных обра­зований и фазовых выделений.

Форма и размеры кристаллитов шва представляют собой как бы макроэлементы первичной структуры и »х часто называют макроструктурой.

Анализ процесса кристаллизации сварного шва, его макро­структуры позволяет установить направление роста, форму и ха­рактер смыкания кристаллитов в шве. Оценка параметров кон­центрационного переохлаждения, распределений температурных градиентов и скорости кристаллизации в различных зонах шва необходимы для определения типа образующейся первичной структуры.

СХЕМА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ШВА

В процессе кристаллизации форма межфазной поверхности фронта кристаллизации может быть плоской (линейный процесс кристаллизации при стыковой сварке стержней), цилиндрической (плоский процесс при сварке пластин встык с полным проплав-лением) и пространственной (объемный процесс при наплавке или сварке массивного изделия).

Направление роста кристаллитов нормально к фронту крис­таллизации. Поэтому при линейном процессе кристаллизации оси кристаллитов направлены по прямой, перпендикулярной плоскому фронту кристаллизации. Такая макроструктура назы­вается линейной.

При плоском процессе кристаллизации оси кристаллитов ле­жат в плоскости, перпендикулярной цилиндрической поверхности фронта кристаллизации. Макроструктура этого типа называется плоской.

При объемном процессе кристаллизации оси кристаллитов представляют собой пространственные кривые. Такая макро­структура называется объемной. При больших скоростях сварки

объемная макроструктура приближается к плоской, а плоская к линейной.

'В микроскопическом мас­штабе процесс кристаллиза­ции всегда объемный, так как направления роста отдель­ных граней кристалла в каж­дый момент времени различ­но ориентированы в прост­ранстве.

Рассмотрим плоский про­цесс кристаллизации. При сварке в пределах сварочной ванны (рис. 12.15) одновременно осу­ществляются два процесса: плавление ( — фронт плавле­ния) и кристаллизация (NMN — фронт кристаллизации). Свароч­ная ванна и связанная с ней изотерма кристаллизации переме­щаются вдоль оси шва со скоростью сварки.

Под схемой кристаллизации понимают форму осей кристал­литов и значение угла между касательными к осям (см. рису­нок) . Ось кристаллита I — воображаемая линия, определяющая форму и направление границ кристаллитов. Форма, ориентировка и размеры кристаллитов могут изменяться в широких пределах в зависимости от технологии сварки и оказывать существенное влияние на деформационную способность металла шва.

Направление роста кристаллита совпадает с направлением максимального теплоотвода, т. е. с нормалью к изотерме кристал­лизации. Следовательно, ось кристаллита, определяющая форму и направление его границ, представляет собой ортогональную траекторию семейства изотерм плавления (см. рисунок).

С точностью, достаточной для инженерных расчетов, кривую NMN можно описать уравнением эллипса:

Уравнение семейства эллипсов, сдвинутых вдоль оси Ох, можно представить в виде

где с — параметр семейства (расстояние между соседними эллипсами вдоль оси Ох).

Дифференциальное уравнение ортогональной траектории се­мейства эллипсов (12.22) можно записать в виде

Дифференциальное уравнение оси кристаллита как ортого­нальной траектории семейства изотерам получается исключением

параметра с из системы уравнений:

В результате получим уравнение оси кристаллита в виде

Под скоростью кристаллизации здесь понимается скорость затверде­вания, т. е. скорость перемещения межфазной поверхности в макромасштабе.

В ектор скорости кристаллизации направлен по нормали к изотерме кристаллизации. Скорость кристаллизации где АВ — длина закристаллизовавшегося участка (рис. 12.18); — время кристаллизации. Рассмотрим фигуру ABC. Так как размеры бесконечно малы,

можно считать ее прямоугольным тре­угольником и принять АС = . Тог­да АВ = АС = и ,= ; так как — скорость сварки, то

Выразив через и используя (12.28), найдем

На рис. 12.19 показаны распределения скорости кристаллиза­ции по ширине шва при различных скоростях сварки.

С увеличением скорости сварки изотермы вытягиваются, ско­рость кристаллизации и угол а возрастают. На оси шва , у линии сплавления =0.

Рас­пределение градиента темпе­ратур и скорости кристаллизации вдоль фронта кристал­лизации показано на рис. 12.21.

ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ПЕРВИЧНУЮ СТРУКТУРУ СВАРНОГО ШВА

Изложенные в п. 12.2 общие положения теории кристаллиза­ции и основные закономерности формирования первичной струк­туры справедливы и для процессов формирования первичной структуры сварного шва.

При затвердевании расплавленного металла сварочной ван­ны преобладает гетерогенный процесс кристаллизации и только в центральной части ванны в очень редких случаях возможна гомогенная кристаллизация.

Под влиянием конкретных тепловых и кинетических условий кристаллизации металла шва, химического состава сплава, гра­диента температур, скоростей сварки и кристаллизации в раз­личных зонах шва возможно образование разной первичной структуры — столбчатой, полиэдрической. Столбчатая и полиэд­рическая структура, в свою очередь, могут быть ячеистыми, ячеисто-дендритными, дендритными. Все эти структуры в шве можно не только получить, но и управлять их развитием, изме­няя условия роста, как это следует из теории концентрацион­ного переохлаждения. Такие параметры роста кристалла, как скорость кристаллизации и градиент температур в жидкой фазе , оказывающий наиболее существенное влияние на

образующуюся структуру, можно рационально подбирать и изме­нять при сварке. Температурный градиент в жидкости может быть повышен увеличением тепловой мощности дуги путем по­вышения напряжения или силы тока или может быть понижен путем предварительного подогрева. Скорость кристаллизации можно регулировать изменением скорости сварки.

На тип структуры шва большое влияние оказывает концент­рационное переохлаждение. Это влияние можно оценить, рас­сматривая длину зоны переохлаждения b, максимальное пере­охлаждение и расстояние т от фронта кристаллизации

до зоны максимального переохлаждения (см. рис. 12.10), а так­же учитывая концентрацию примесей и градиент температур

При малом b, т = 0 и , т. е. при кристаллизации почти

чистых металлов в отсутствие концентрационного переохлажде­ния происходит плоская кристаллизация. Криволинейные очерта­ния межфазной границы в сварочной ванне сглаживаются, так как выступающие зоны попадают в область более высо­ких температур и скорость их кристаллизации уменьшается. Структура получается столбчатой. Такой тип структуры сущест­вует вблизи зоны сплавления, так как здесь концентрационное переохлаждение равно нулю.

При небольшом концентрационном переохлаждении (малых , т, b) и большом получается ячеистая структура.

В случае значительного концентрационного переохлаждения (большие значения , т, b) для роста выступов фронта кри­сталлизации в ванне создаются благоприятные условия.

У кристаллов появляются ветви второго порядка, свойствен­ные дендритному строению. Последние порции расплава могут оказаться настолько концентрационно переохлажденными, что в них зарождаются новые кристаллы, которые, препятствуя росту столбчатых кристаллов, образуют в центре шва зону с равноос­ной структурой.

Полиэдрическая структура образуется при большой протя­женности b, очень больших значениях m и маломВ этих условиях перед фронтом кристаллизации в зоне gradT_Ф максимального переохлаждения в озможно самостоятельное зарождение цент­ров кристаллизации, образование кристаллов, их развитие и встречный рост в направлении растущих кристаллитов движу­щегося фронта кристаллизации.

Обобщенная зависимость типа структуры от содержания при­меси С и значения критерия концентрационного переохлажде­ния Ф представлена на рис. 12.22.

Из рисунка видно, что при кристаллизации металлов с ма­лым содержанием примесей в слу­чае больших значений Ф в шве об­разуется ячеистая структура. При сварке сплавов в зоне сплавления структура также ячеистая, а в центре шва возможно образова­ние дендритной структуры. Ячеисто-дендритная структура обра­зуется при значительном содержа­нии примесей и существенном уда­лении зоны, максимального кон­центрационного переохлаждения от фронта кристаллизации.

На тип первичной структуры оказывают влияние способ и режим сварки, так как в зависимости от химического состава стали, способа и режима ее сварки рассмотренные выше особенности кристаллизации, эффекты концентрационного переохлаждения могут быть разными.

Так, тип первичной микроструктуры в центральных зонах швов сварных соединений стали зависит от состава и скорости сварки. При изменении скорости сварки от 1,4 до 14 мм/с низко­легированных сталей с 0,1...0,25% С первичная структура из­меняется от неустойчивой ячеистой до ячеисто-дендритной, а при сварке среднелегированных сталей с 0,3% С и более — от ячеисто-дендритной до развитой равноосной дендритной.

Первичную структуру сварного шва можно регулировать, ис­пользуя различные металлургические и технологические приемы.

Подавление столбчатой структуры с целью получения равно­осных кристаллов в швах осуществляется:

а) введением элементов — модификаторов 1-го рода (Ti, V, Nb, Zr идр.);

б) введением модификаторов 2-го рода — поверхностно-ак­тивных примесей;

в) введением элементов, образующих избыточные фазы в твердых растворах ( -фаза, первичные карбиды и др.);

г) воздействием на сварочную ванну ультразвуковых колеба­ний, механических вибраций или электромагнитным перемешива­нием металла ванны;

д) термической и термомеханической обработкой, прокаткой сварных швов для получения равноосной структуры.