Формирование сварного соединения

Переход металла сварочной ванны из жидкого состояния в твердое называют первичной кристаллизацией. Процесс первичной кристаллизации заканчивается образованием столбчатых кристаллов.

При затвердевании металла в нем развиваются диффузионные процессы, стремящиеся выравнять состав различных участков кристаллов. Однако из-за разницы в скоростях диффузии и остывания металла полного выравнивания состава металла шва не происходит. Это определяет наличие зональной ликвации, т.е. неравномерного распределения элементов как по сечению шва, так и в отдельных кристаллитах. Степень и характер ликвации оказывают существенное влияние на стойкость металла шва против образования трещин и на его механические свойства. Дендритная и зональная ликвация в значительной мере зависит от условий остывания (кристаллизации) металла шва и его химического состава.

Значительное влияние на качество сварного соединения оказывают диффузионные процессы протекающие в зоне сплавления. Здесь, вследствие различной растворимости элементов в жидкой и твердой фазах, возникает существенная разница в химическом составе пограничного участка основного металла и прилегающего к нему участка шва.

Первичная кристаллизация сварочной ванны при всех видах дуговой сварки начинается от частично оплавленныых зерен основного металла или столбчатых кристаллитов предыдущего слоя при многопроходной сварке. Видимая граница между металлами исчезает. Условную поверхность раздела называют границей сплавления.

При сварке аустенитных сталей величина столбчатых кристаллитов совпадает в большинстве случаев с величиной зерна основного металла.

Первичная кристаллизация металла сварочной ванны носит прерывистый характер поэтому швы имеют слоистое строение. Толщина кристаллизационного слоя при дуговой сварке обычно составляют десятые доли миллиметра.

Слоистое строение металла обусловленно совместным действием ряда причин, к которым относятся выделение скрытой теплоты кристаллизации, волнообразное поступление металла в хвостовую часть ванны, колебание режимов сварки и пр.[4]

Прерывистый характер первичной кристаллизации сварочной ванны влияет еще на один вид ликвации – слоистую. Каждый кристаллизационный слой состоит из трех характерных участков. Нижний участок обогощен, а верхний обеднен ликвирующими примесями по сравнению со средним участком.

Р ост кристаллитов происходит нормально к поверхности раздела основного металла и металла сварочной ванны, а при многопроходной сварке – к границе раздела между закристаллизовавшимся металлом предыдущего слоя и расплавом последующего слоя. Рис.5.

Рис.5. Особенности кристаллизации металла при различной форме провара

Форма проплавления определяет направленость роста кристаллитов. При большом коэффициенте формы проплавления вследствие направленности теплоотвода в изделие угол наклона осей кристаллитов меньше 90° относительно вертикальной оси шва. При электроннодуговой сварке он близок 90°.

Для металлов и сплавов, претерпевающих при охлаждении аллотронические превращения первичная структура сохраняется до температуры этого превращения. Для сплавов на основе железа аллотронические превращения проявляются в переходе железа в α - железо. Такой переход , происходящий в твердом состоянии называют вторичной кристаллизацией, а структура возникающая при этом называется вторичной. Характер вторичной микроструктуры зависит от химического состава металла шва, термического цикла сварки и других причин.[3]

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).

Р ис. 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

усилиям?

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.