Известно, что сварка предназначена для надежного, прочного и плотного соединения заготовок в составную деталь или сложную конструкцию. Но этими условиями не всегда достигаются в полной мере, так как в сварном шве и околошовной зоне в процессе их сварки и охлаждения происходят изменения строения (структуры). Эти изменения сопровождаются ухудшением механических свойств шва и околошовной зоны в сравнении со свойствами металла заготовок, что иногда приводит к выходу конструкций из строя и даже авариям. Каковы же причины таких изменений и как их можно предупредить, или в какой мере учитывать?
При сварке плавлением к кромкам соединяемых заготовок подводят сварочное пламя электрической дуги или горящих газов, которое расплавляет эти кромки и присадочный материал с образованием сварочной ванночки жидкого металла. Этот процесс длится в течение 10...25 с. После удаления источника тепла металл ванночки охлаждается за 50...80 с и образуется сварной шов. Обязательным условием успешной сварки плавлением является температура сварочного пламени 2700...4000°С. При меньшей температуре источника тепла сварочная ванночка будет образовываться очень медленно и неэффективно вследствие высокой теплопроводности холодного металла и больших потерь тепла. Во время интенсивного нагрева и расплавления основной и присадочный металлы сильно перегреваются. В узкой зоне плавления заготовок кристаллизуются зерна, принадлежащие к основному и наплавленному металлу. Соседние участки основного металла по обе стороны шва в процессе сварки тоже нагреваются, причем, по мере удаления от шва температура их нагрева все меньше и меньше. Эта узкая зона нагретого металла называется зоной термического влияния. Размеры зоны термического влияния зависят от способа и технологии сварки, от теплопроводности и теплоемкости того или иного свариваемого металла. Так, при ручной электродуговой сварке электродами с покрытием 4... 10мм, при газовой сварке – 20...25мм, при автоматической сварке под слоем флюса ширина зоны термического влияния невелика –2...2,5мм. Чем уже околошовная зона термического влияния, тем выше механические свойства сварного соединения.
|
|
При сварке низкоуглеродистой сварке (с содержание углерода менее 0,25%) структурные изменения в зоне термического влияния значительно в меньшей степени снижают ее механические свойства в сравнении с тем, как сильно изменяются эти свойства при сварке сталей с повышенным содержанием углерода и легированных сталей.
При сварке стали, в зависимости от удаления слоев металла от шва, эти слои нагреваются в зоне термического влияния до темпера-тур выше критических и ниже критических. В зависимости от температуры нагрева в различных слоях стали происходят и различные структурные превращения.
|
|
В зоне термического влияния условно выделяют шесть участков, нагретых до разных температур и претерпевших различные структурные превращения.
Наплавленный металл сварного шва имеет столбчатое крупно-зернистое строение, характерное для литой стали, прочность и предел текучести которой несколько ниже, чем основного изделия. Некоторая компенсация прочностных характеристик шва достигается его несколько большим сечением и легированием.
Первый участок. Он примыкает непосредственно к металлу шва. Основной металл на этом участке в процессе сварки частично расплавляется и представляет собой смесь твердой и жидкой фаз. Температура на этом участке выше температуры плавления металла (более 15390 С).
Затвердевший металл по механическим свойствам близок к металлу шва.
Второй участок. Здесь сталь нагревается до температур от 1500°С до 1100 °С. в результате сильного перегрева после охлаждения на этом участке образуется крупнозернистая – грубоигольная структура. Металл этой зоны обладает НАИБОЛЬШЕЙхрупкостью и является САМЫМ СЛАБЫМ местом сварного соединения.
Третий участок. Температура стали в пределах от 900°С до 1100°С. Здесь после медленного охлаждения изделия образуется мелкозернистая структура нормализованной стали, механические свойства которой выше, чем в первых двух зонах. При электродуговой сварке эта зона преобладающая, а при газовой сварке выражена слабо.
Четвертый участок. Нагрев – 900...700°С, участок неполной перекристаллизации. В нем наряду с крупными зернами феррита образуются мелкие зерна феррита и перлита. Механические свойства стали выше, чем на участках 1 и 2, но ниже, чем на участке 3.
Пятый участок. Нагрев – 700...500°С. Если сталь перед сваркой не подвергалась пластической деформации, то структурных изменений в ней на этом участке не происходит. Если же сталь упрочнялась холодной пластической деформацией, то на этом участке происходит рекристаллизация с потерей приобретенных свойств и падением ударной вязкости.
Шестой участок. Нагрев ниже 500°С. Если предварительно сталь пластически не упрочнялась, то она не претерпевает заметных структурных превращений, однако наблюдается резкое падение ударной вязкости – синеломкость. Если же сталь предварительно пластически упрочнялась, то в этой зоне происходит частичная рекристаллизация с некоторым (до 30...40%) снижением ее твердости и предела текучести.
Из рассмотренного видно, что зона термического влияния является зоной активной реакции металла на нагрев. Учитывать влияние этой зоны необходимо в следующих случаях:
– при сварке сталей, предварительно подвергнутых холодной пластической деформации происходит потеря приобретенных свойств;
– при сварке сталей с повышенным содержанием углерода и легированных сталей образуются закалочные структуры, обладающие значительной хрупкостью, которая может привести к трещинообразованию в зоне термического влияния;
– изделия после сварки должны охлаждаться медленно во избежание образования в околошовной зоне закалочных структур;
– учитывать особенности зоны термического влияния необходимо и при выборе способа сварки изделий.