Тема 21. Строение сварного соединения. Кристаллизация сварного шва. Образование трещин при сварке.

Кристаллизацией называется процесс образования зерен из расплавленного металла при переходе его из жидкого состояния в твердое. Процесс кристаллизации происходит в сварочной ванне, которая представляет собой объем расплавленного металла, перемещающийся вместе со сварочной дугой вдоль шва со скоростью сварки (рис.). Глубина ванны зависит от скорости сварки и силы тока: возрастает с уменьшением скорости и увеличением силы тока.

Жидкий металл находится в постоянном движении и перемешивании. Он откладывается отдельными порциями, и давление дуги периодически, меняется, поэтому при затвердевании металла шва на его поверхности образуются волны (чешуйки). Время, в течение которого ванна находится в жидком состоянии, зависит от способа и скорости сварки. Например, при ручной дуговой сварке это время составляет от 7 до 24с. По линии АБВ сварочной ванны протекает процесс плавления, а по линии ВГА – кристаллизация шва.

Кристаллизация начинается по линии сплавления основного металла и шва. Кристаллы растут в сторону толщи металла шва. В результате металл шва получает зернистую структуру, а зерна напоминают многогранники, вытянутые в одном направлении. Чем выше скорость охлаждения, чем меньше зерна. Находящиеся в жидком металле примеси серы и фосфора имеют более низкую температуру затвердевания, поэтому располагаются по границам зерен, ухудшая их сцепление между собой, снижая прочность и пластичность шва. При широких швах неметаллические включения легко выходят наверх в шлак (рис.), а при узких (рис.) – часто остаются в середине шва между зернами.

1 - основной металл; 2 – зерна металла шва; 3 – неметаллические включения

В строении сварного шва различают макро- и микроструктуру.

Макроструктура видна невооруженным глазом или при увеличении в 10 – 15 раз, а микроструктура просматривается через микроскоп, при увеличении в 60 – 100 раз.

На тщательно отшлифованной поверхности разреза сварного шва, протравленной раствором азотной кислоты с водой, можно видеть отдельные участки (рис.), которые называются зонами сварного шва.

Металл шва образуется в результате кристаллизации расплавленного основного и присадочного металла. Доля электродного металла составляет 50 – 70% в сварном шве при ручной дуговой сварке. Химический состав металла может значительно отличаться от состава основного металла.

Зона сплавления расположена на границе между основным и наплавленным металлом. Если зерна основного металла и металла шва хорошо срослись и как бы проникают друг в друга, то такие швы обладают высокой прочностью. Зона имеет малую толщину (измеряется микронами) и трудно различима. В этой зоне часто возникают трещины и несплавления разнородных металлов из-за химической неоднородности.

Зона термического влияния (зтв) – участок основного металла, расположенный непосредственно около шва. Он не расплавляется, но сильно нагревается (1100 – 1500⁰С). Эта часть шва является самой слабой, и металл здесь обладает наибольшей хрупкостью. Ширина зоны зависит от способа сварки. При ручной дуговой сварке ширина около 2,5 – 6 мм, а при газовой – 27 – 27 мм. В зтв различают шесть участков.

А – Г – зоны сварного соединения (А – наплавленного металла; Б – сплавления; В – термического влияния; Г – основного металла).

1 – 6 – участки околошовной зоны (1 – неполного расплавления; 2 - перегрева; 3 – нормализации; 4 – неполной перекристаллизации; 5 – рекристаллизации; 6 – синеломкости). Т – температура металла

Образование трещин при сварке.

В процессе кристаллизации сварочной ванны в металле шва возможно образование трещин. По расположению относительно оси шва они могут быть продольными и поперечными, в зависимости от величины - микро- и макроскопическими (первые из них обнаруживаются с помощью микроскопа, а вторые - невоору­женным глазом); в зависимости от температур, при которых они образуются, трещины разделяют на две группы: горячие (высоко­температурные) и холодные (низкотемпературные). Механизм их возникновения различен.

Горячие трещины представляют собой хрупкие межкристал­лические разрушения металла шва и околошовной зоны, возникающие в процессе кристаллизации в твердо-жидком состо­янии, а также при высоких температурах в твердом состоянии. Трещины, как правило, располагаются по границам кристаллитов и вызывают межкристаллическое разрушение. Объясняется это тем, что при затвердевании металла шва в процессе первичной кристаллизации между кристаллитами располагаются жидкие прос­лойки, имеющие небольшую температуру плавления. Если возни­кающие в это время в металле растягивающие внутренние напря­жения (вследствие линейной усадки при охлаждении) будут доста­точно велики, то по этим прослойкам произойдет разрушение с образованием трещины. Если же процесс полного затвердевания расплава заканчивается до появления больших растягивающих на­пряжений, то горячие трещины не образуются. Образованию горя­чих трещин способствует содержание в металле шва примесей - серы, фосфора и др. Так, сера образует легкоплавкий сульфид железа FeS, располагающийся при кристаллизации по границам зерен и увеличивающий вероятность образования трещин. На образовании трещин сказываются также форма и схема кристаллизации свароч­ной ванны. Узкие швы с глубоким проплавлением более склонны к образованию трещин, чем широкие швы с небольшим проплавлением. Для уменьшения опасности образования горячих трещин применяют следующие меры: используют сварочные материалы с минимальным содержанием серы, углерода, фосфора; повышают в металле шва содержание марганца, который связывает серу в более тугоплавкое соединение - сульфид марганца; проводят рафини­рование (очистку) расплава ванны от серы с помощью введения компонентов, содержащих кальций.

Холодные трещины в структуре металла располагаются как по границам, так и по телу зерен. Поэтому они представляют собой внутрикристаллические разрушения. Холодные трещины в сварных соединениях образуются при температурах 200 - 300°С. Чаще всего они образуются в швах при сварке закаливающихся сталей. На склонность металла к образованию холодных трещин оказывают влияние повышенное содержание углерода и элементов, облегча­ющих закалку, наличие в шве водорода, загрязнение фосфором, быстрое охлаждение и наличие в швах внутренних напряжений. С целью уменьшения склонности металла к образованию холодных трещин применяют следующие меры: используют материалы с минимальным содержанием фосфора, уменьшают насыщение сва­рочной ванны водородом и азотом, принимают меры для умень­шения внутренних напряжений.

Поры в сварных швах возникают при первичной кристал­лизации металла сварочной ванны в результате выделения газов. Поры представляют собой полости в швах, заполненные газом, имеющие сферическую, вытянутую или более сложные формы. Поры могут располагаться по оси шва, его сечению или вблизи границы сплавления. Они могут быть скрытыми в металле или выходить на поверхность, располагаться цепочками, отдельными группами или одиночно, могут быть микроскопическими и круп­ными (до 4 - 6 мм в диаметре). Поры при сварке в основном возникают за счет газов водорода, азота и оксида углерода, образу­ющихся в результате химических реакций с выделением газовых продуктов, выделения газов в связи с разной растворимостью их в жидком и твердом металле, захватом газа из окружающей среды при кристаллизации сварочной ванны.

Для уменьшения пористости необходимы тщательная подготовка поверхности основного и присадочного металлов под сварку (очистка от ржавчины, масла, влага, прокалка и т. д.), надежная защита зоны сварки от воздуха, введение в сварочную ванну элементов - раскислителей (из основного металла, сварочной проволоки, покрытия, флюса), стабильное соб­людение режимов сварки.

Дата добавления: 2015-07-08