Термический цикл сварки и структура сварного соединения

ТЕРМИЧЕСКИЙ ЦИКЛ СВАРКИ И СТРУКТУРА СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ

Металл в любой зоне сварного соединения испытывает нагрев и последующее охлаждение. Изменение температуры металла во время сварки называется термическим циклом сварки. Максимальная температура нагрева в разных зонах соединений различна: в шве максимальная температура превышает, в зоне сплавления - близка, в зоне термического влияния - меньше температуры плавления, постепенно уменьшаясь по мере удаления от шва.

При нагреве в металле происходят следующие структурные и фазовые превращения:

- растворение фаз в металле в твердом состоянии, например, карбидов (соединений металла с углеродом) в нагретом металле;

- полиморфное превращение, т.е. превращение низкотемпературной модификации материала в высокотемпературную;

- плавление металла в участках, нагреваемых выше температуры плавления.

При охлаждении структурные и фазовые превращения идут в обратном порядке:

- кристаллизация;

- полиморфное превращение, т.е. переход из высокотемпературной фазы в низкотемпературную;

- выпадение из металла различных вторичных фаз: карбидов, интерметаллидов и др.

Кроме названных превращений, в металле в низкотемпературной области при сварке происходят структурные изменения, вызывающие разупрочнение основного металла: рекристаллизация, старение и др.

Рассмотрим термический цикл и структуру сварного соединения при дуговой сварке низкоуглеродистой стали. На рис. 1 показано, как распределяется максимальная температура в сварном соединении, схематичная структура разных зон соединения, изменение температуры (термические циклы) в этих зонах и свойств металла.

Рис. 1. Термический цикл сварного соединения низкоуглеродистой стали при однопроходной сварке  

Каждый металл состоит из очень мелких зерен. Эти зерна можно видеть на изломе. Совокупность всех зерен металла называется эгоструктурой. В металле различают макро- и микроструктуру. Макроструктура рассматривается невооруженным глазом и при небольших (до 10-15 раз) увеличениях. Структура металла, изучаемая при увеличениях более чем в 60-100 раз, называется микроструктурой.

На участке 1 металл, который находился в расплавленном состоянии, затвердевая, образует сварной шов, имеющий литую структуру из столбчатых кристаллов. Грубая столбчатая структура металла шва является неблагоприятной, так как снижает прочность и пластичность металла. Зона термического влияния имеет несколько структурных участков, различающихся формой и строением зерна, вызванных различной температурой нагрева в пределах 1530 °С. Ширина участка 1 составляет примерно половину ширины шва.

Участок неполного расплавления 2 - переходный от наплавленного металла к основному. На этом участке происходит образование соединения и проходит граница сплавления, он представляет собой очень узкую область (0,1-0,4 мм) основного металла, нагретого до частичного оплавления зерен. Здесь наблюдается значительный рост зерен, скопление примесей, поэтому этот участок обычно является наиболее слабым местом сварного соединения с пониженной прочностью и пластичностью. Температура участка составляет 1530- 1470 °С.

Участок перегрева 3 - область основного металла, нагреваемого до температур 1470-1100 °С, в связи с чем металл отличается крупнозернистой структурой и пониженными механическими свойствами (пластичностью и ударной вязкостью). Эти свойства тем ниже, чем крупнее зерно и шире зона перегрева. Ширина участка 3 составляет 3 - 4 мм.

Участок нормализации 4 - область металла, нагреваемого до температур от 880 до 1100 °С. Металл этого участка обладает высокими механическими свойствами, так как при нагреве и охлаждении на этом участке образуется мелкозернистая структура в результате перекристаллизации без перегрева. Ширина участка 4 составляет 0,2 - 0,4 мм.

Участок неполной перекристаллизации 5 - зона металла, нагреваемого при сварке до температур 720-880 °С. В связи с неполной перекристаллизацией, вызванной недостаточным временем и температурой нагрева, структура этого участка характеризуется смесью мелких перекристаллизовавшихся зерен и крупных зерен, которые не успели перекристаллизоваться. Металл этого участка имеет более низкие механические свойства, чем металл предыдущего участка. Ширина его составляет 0,1-3 мм.

Участок рекристаллизации 6 - область металла, нагреваемого в пределах температур от 510 до 720 °С. Если сталь перед сваркой испытала холодную деформацию (прокатку, ковку, штамповку), то на этом участке развиваются процессы рекристаллизации, приводящие к росту зерна, огрублению структуры и, как следствие, к разупрочнению. Ширина участка 6 составляет 0,1-1,5 мм.

Участок 7, нагреваемый в области температур 200-510 °С, является зоной перехода от зоны термического влияния к основному металлу. В этой зоне могут протекать процессы старения из-за выпадения карбидов железа и нитридов, в связи с чем механические свойства металла этой зоны понижаются.

Ширина зоны термического влияния зависит от толщины металла, вида и режимов сварки. При ручной дуговой сварке она составляет обычно 5-6 мм, при сварке под флюсом средних толщин - около 10 мм, при газовой сварке - до 25 мм.

Литература: