какую структуру металла шва желательно получать при сварке плавлением и как это можно сделать
Особенности структурообразования металла шва при сварке плавлением
При сварке плавлением под воздействием источника теплоты расплавляются кромки основного (свариваемого) металла и электродный металл, подаваемый в сварочную ванну, а также покрытие или флюс. Плавление происходит в зоне сварки – плавильном пространстве, которое перемещается вместе с источником теплоты. Плавильное пространство, или сварочная ванна, условно может быть разделено на две части: головную и хвостовую. В головной части происходит плавление, а в хвостовой – кристаллизация металла и формирование шва.
В отличие от кристаллизации слитка для кристаллизации металла сварочной ванны характерны следующие условия:
По сравнению с основным металлом сварной шов имеет типичную структуру литого металла, быстро затвердевшего в условиях интенсивного отвода теплоты. Литой металл, как правило, уступает прокатному или кованому по своим пластическим и вязким свойствам, так как имеет более крупнозернистую структуру. Однако в отличие от слитков сварной шов обычно содержит меньше N2, S, Р и С, имеет меньшие зональную и внутрикристаллическую ликвации. Кроме того, из-за особенностей первичной кристаллизации металл шва имеет более мелкозернистую структуру. В большинстве случаев сварные швы из малоуглеродистой и низколегированной сталей обладают высокими механическими свойствами даже без дополнительной термической обработки. Микроструктура металла шва зависит, главным образом, от условий первичной кристаллизации, которая во многом определяет его свойства.
Переход металла сварочной ванны из жидкого состояния в твердое называется первичной кристаллизацией. Процесс затвердевания представляет собой рост кристаллов в результате присоединения к их поверхности атомов из окружающего расплава.
Для большинства сварных швов характерна столбчатая структура. Рост столбчатых кристаллов в сварочной ванне начинается от частично оплавленных зерен основного металла. На них, как на своеобразной подкладке, начинают свой рост первичные кристаллы, количество которых ограничено. Кристаллы развиваются нормально к поверхности охлаждения, в направлении, обратном отводу тепла, – в глубь жидкого металла ванны. В результате они приобретают столбчатую форму (рис. 1).
Рис. 1. Схема роста кристаллов от границы сплавления в сварочной ванне
Размеры столбчатых кристаллов зависят от способа и режимов сварки. Снижение температуры ванны и длительности пребывания металла в жидком состоянии способствует образованию крупных кристаллов.
Рост столбчатых кристаллов способствует удалению из расплавленного металла газов и шлаковых включений. Поскольку температура кристаллизации зависит от чистоты металла, то в первую очередь затвердевает менее загрязненный примесями металл. В процессе затвердевания сварных швов перед фронтом растущих кристаллов маточный раствор непрерывно обогащается примесями. В последнюю очередь затвердевает средняя часть шва, в которой сосредотачивается максимальное количество примесей. Химическая неоднородность, называемая ликвацией, снижает механические свойства металла шва, так как ослабляет связь между кристаллами и является одной из причин возникновения горячих (межкристаллизационных) трещин. Ликвация зависит от формы шва. В узком шве максимальное количество примесей концентрируется в средней части (рис. 2, а), а в широком – в верхней части (рис. 2, б). Вследствие этого влияние примесей в широком шве менее опасно.
Рис. 2. Влияние формы шва на химическую неоднородность (ликвацию) металла: а – узкий шов; б – широкий шов
По химическому составу металл шва представляет собой нечто среднее между основным и электродным металлом (с учетом возможного выгорания легирующих элементов, окисления и азотирования за счет окружающей среды).
Участок неполного расплавления представляет собой узкую полоску металла, в которой он в процессе сварки находится в твердожидком состоянии. За время контакта жидкой и твердой фаз в нем протекают диффузионные процессы и развивается химическая неоднородность, а структура металла напоминает видманштеттову структуру (иглообразное расположение структурных составляющих). На этом участке, представляющем собой тонкую переходную полоску от металла шва к основному металлу, и происходит собственно сварка, т. е. формирование кристаллов шва на частично оплавленных зернах основного металла.
Свойства этого участка и металла шва во многих случаях оказывают решающее влияние на работоспособность сварного соединения, так как здесь часто образуются трещины, ножевая коррозия, хрупкие разрушения и т. п. Ширина участка неполного расплавления невелика и для дуговой сварки составляет примерно 0,1…0,5 мм.
Далее следует околошовная зона, называемая зоной термического влияния (ЗТВ).
Просмотров: 4685 Создан: 2012-10-17 Источник: Трубные технологии
Сварка плавлением
Не всегда удаётся целиком изготовить разнообразные железные конструкции. В каких-то случаях нет целесообразности их изготовления из одной заготовки ввиду большого количества нежелательных отходов, в других случаях габариты деталей не позволят провести нормальную механическую обработку. Поэтому были изобретены разнообразные способы соединения заготовок между собой. Это всевозможные резьбовые соединения, склеивание деталей, пайка, а также, известная всем, сварка. Она применима не только к деталям и заготовкам, изготовленным из разнообразных металлов и их сплавов, но и вообще к любым материалам, которые можно расплавить. Различают несколько видов сварки: та, где требуется только нагрев для плавления материала, где требуется только давление и комбинированные. Ниже будет рассмотрен вариант сварки методом плавления.
Сварка плавлением
Процесс сварки – это метод соединения двух и более металлических деталей путём термического плавления кромок соединяемых заготовок. Будучи в расплавленном состоянии, металл, из которого состоят заготовки, смешивается и на этом месте образуется прочное неразъемное соединение. После остывания, на месте расплавленного металла образуется так называемый сварочный шов. Этот процесс чем-то сходный с литьём, но в ограниченных размерах. Нынче сварка нашла широкое применение для соединения двух и более заготовок как в промышленных масштабах, так и при кустарном производстве металлических изделий. Также её используют в процессе ремонта разнообразных узлов, так как она позволяет провести наплавление металла там, где он сточился.
В зависимости от того, какой способ нагрева материала заготовки до точки плавления выбран, разделяют несколько видов сварки, о которых поговорим ниже.
Классификация видов сварки плавлением
В зависимости от источника термической энергии, который способен нагреть кромки деталей до температуры плавления, сварка плавлением делится на электрическую, газовую и другие виды сварки. Электрическую опять же можно разделить на электродуговую и индукционную. Рассмотрим наиболее применяемые как в быту, так и промышленности виды. Наибольшее применение получила электродуговая и газовая виды сварок. В случае электродуговой, плавление металла происходит за счёт высокой температуры электрической дуги (около 5000 градусов), которая возникает между заготовкой и электродом. При использовании газовой сварки, источником тепла, способным довести сталь до точки плавления, является горящий газ или смесь газов (например, пропан и кислород с температурой горения до 2050 градусов). Присадочным материалом для шва в таком виде сваривания чаще всего применяется либо отдельная специальная присадка, либо его роль играет металл из тела заготовки.
И также, в зависимости от типа применяемого электрода, можно выделить следующие виды сварки:
Другие виды сварки стали плавлением, такие как индукционная, лазерная, плазменная и др., пока ещё не нашли широкого применения ввиду дороговизны оборудования, поэтому рассматриваться не будут.
Принцип сваривания
Как говорилось выше, принцип сваривания плавлением основан на процессе смешивания расплавленного металла в зоне сваривания, с образованием прочного, неразборного соединения. Источник тепловой энергии, имеющий довольно большую мощность, концентрирует тепловую энергию на малой площади сварочной ванны. Именно в этой ванне и находится доведённый до точки плавления сплав, который туда подаётся либо с использованием электрода, либо со специальной проволокой (в случае сваривания несгораемым электродом). Перемещая источник тепловой энергии вдоль кромки соединяемых деталей, перемещают и сварочную ванну, постепенно добавляя в неё присадочный материал. После остывания, материал ванны кристаллизуется, что приводит к образованию прочного сварного шва.
Процесс розжига высокотемпературной дуги состоит из трёх последовательных действий. Сначала электродом касаются заготовки, в результате чего получается короткое замыкание, вызывающее нагрев его кончика. Далее, кончик отводят на небольшое расстояние от детали, это расстояние подбирается опытным путём. Оно должно быть таким, при котором дуга наиболее устойчива. Разогрев электрода необходим для устойчивой экзоэмиссии электронов, которая также гарантирует устойчивую электрическую дугу.
Принцип сварки плавлением
При плавлении электрода происходит перенос присадочного материала в сварную ванну, и детали соединяются. На некоторых сварочных аппаратах, предназначенных для сварки несгораемым электродом, поджиг дуги является бесконтактным. Он выполняется специальным устройством, называемым осциллятором.
Специфические черты
Спецификой процесса сваривания металлов является то, что в результате образуется единая целая деталь, даже если в процессе применялись различные разнородные металлы. Для такого типа соединения требуется только нагрев, который способен вызвать плавление материала из которого состоят соединяемые детали. Исходя из того, какие металлы (или их сплавы) соединяются, необходимо правильно выбрать присадочную проволоку или электрод.
Разновидности применяемых электродов
Качественный шов можно получить только при правильном подборе присадочного материала, поэтому на их разновидностях стоит заострить внимание. Сварочный электрод представляет собой стальной пруток, покрытый специальной обмазкой, которая плавится в процессе сварки и защищает шов от воздействия азота из воздуха. В случае сварки несгораемым электродом или газовой, обмазка не требуется, шов защищает инертный газ или пламя из горелки. Поэтому, в принципе, электрод, проволока и другой присадочный материал практически одно и то же.
Присадочный материал, из которого полностью состоит проволока, играет первостепенную роль в прочности шва. В процессе нагрева и плавления из сплавов выгорают легирующие элементы, ухудшая при этом качество соединения. Для того чтобы этого избежать, выбираются прутки из стали, которые по степени легирования равны соединяемым маркам или даже выше их. В случае если марки сплавов разные, степень легирования оценивается по максимально легированному сплаву. Избыток легирующих элементов компенсирует их выгорание.
Если марки сталей неизвестны, а также отсутствует возможность их определить, то используется специальный переходной (его ещё называют буферным) электрод или специальная присадочная проволока. Он позволяет сварить даже разнородные стали, например, такие, как нержавейка и простая чёрная низколегированная сталь, играя роль переходного материала.
Требования к сварочным швам
Требования, которые могут предъявляться к сварочным швам, по большей мере зависят от конечного назначения готовой конструкции. Тем не менее можно выделить несколько общих требований, которым должны удовлетворять соединения такого типа. Твёрдость и предел прочности сварного соединения должны иметь такие же показатели (или близкие), как и показатели основного металла. Испытания проводят на специальном оборудовании с образцом готового изделия.
Визуально контроль качества шва проверяют следующим образом. После завершения сварочных работ, производится очистка швов от шлака и окислов, также убираются все вспомогательные приспособления. Шов должен быть однородным, мелкочешуйчатым и иметь равномерную ширину. Наплывы, прожоги, сужения или перерывы должны отсутствовать. Металл, который наплавлен должен быть однородным, не иметь пор или поверхностных трещин.
Структура сварных соединений
Содержание:
Обычно в процессе сварки можно получить четыре типа сварочных соединений – угловой, тавровый, нахлесточный и стыковой. Стыковой шов получают соединяя кромки металлических поверхностей, заранее их обрабатывая в зависимости от толщины металла. Соединение металлических пластин внахлёстку делают с помощью угловых швов, толщина непосредственно нахлёстки должна быть больше толщины соединяемых элементов от трёх до пяти раз. Тавровые и угловые соединения образуются в процессе проведения сварки элементов, находящихся перпендикулярно друг к другу и градус угла соединения должен составлять 90.
Различают два вида сварки – они применяются в зависимости от состояния металла в процессе сварки:
1) Сварка расплавленного металла – участки металла, которые необходимо соединить, нагревают до температуры плавления и стыкуют, после сваривая детали вместе без применения механических усилий.
2) Сварка пластичного металла – нагретые до состояния сварочного жара участки металла сваривают ударом либо под давлением.
Структура сварных соединений.
Процесс кристаллизации шва происходит только в том случае, если скорость сварки и средняя скорость кристаллизации равны. Кристаллизация начинается в тот момент, когда сварная дуга прошла над участком сварки и покинула его. Расплавленный металл застывает в противоположном процессу сварки направлении – то есть, к центру сварочного бассейна, начинаясь у его краёв. Частицы расплавленного и основного металла появляются на краях расплавленного участка – это укрепляет сварной шов.
Первый процесс кристаллизации протекает быстро, так как металл очень быстро остывает – для остановки процесса кристаллизации металлу достаточно остыть всего на 20-30 градусов – то есть, его температура должна быть между 1480 и 1510 градусов.
Завершённая кристаллизация не запускает в металле никаких процессов вплоть до охлаждения его до 850 градусов, т.е. выхода металла из аустенитной формы. Структура сварных соединений при этом становится постоянной после охлаждения металла до 720 градусов.
Многослойные швы в основном имеют мелкозернистую структуру, частицы металла в них равномерно распределены по всему объёму сварного соединения. Зона термического влияния при сварке это металл, который примыкает непосредственно к сварному шву, но не задевается сварщиком в процессе сварки. Она делится на несколько участков:
1) Участок зоны сплавления – в этом месте происходит непосредственно процесс плавки. Качество сварного шва зачастую напрямую зависит от свойств этой зоны. В этой зоне находится наплавленный металл и металл с участка неполного расплавления.
2) Участок перегрева – нагретый в диапазоне 1100-1400 градусов участок металла. Если нагретая сталь содержит большое количество углерода, то она станет непластичной и вязкой.
3) Участок перекристаллизации – этот участок в процессе охлаждения образует мелкозернистую структуру, это повышает качество и свойства сварного шва.
4) Участок неполной перекристаллизации – в структуре металла на этом участке появляется некоторое количество новых зёрен.
5) Участок старения – процесс увеличения прочности и снижения пластичности всего сварного шва зависит от этого участка.
6) Участок синеломкости – тут не происходит практически никаких изменений, но при сварке определённых металлов этот участок может повышать прочность сварного соединения.
Расплавление занимает от долей секунды до минут – это зависит от мощности нагревания, толщины расплава и скорости движения сварной дуги.
Свойства сварного шва определяются непосредственно размерами околошовной зоны сварки. Чем меньше эта зона, тем надёжнее и качественнее получилось сварное соединение. Наименьшая зона получается при сварке электроннолучевой и механической, наибольшая – при газосварке и электросварке. Также условное деление получил и тип источника сварки – электрический, химический или механический. Выполнение сварного шва лучше проводить короткими участками – в результате сварные соединения получатся более качественными и прочными.
Строение сварных соединений
В процессе дуговой сварки происходит расплавление основного и присадочного материала, образуется жидкая сварочная ванна, при затвердевании которой формируется сварное соединение. Рассмотрим более детально особенности процесса плавления и кристаллизации при сварке. В отличие от большой металлургии, размеры сварочной ванны небольшие, время нахождения металла в жидком состоянии мало, одновременно происходят процессы нагрева и кристаллизации металла, в результате неравномерности нагрева и охлаждения возникают значительные внутренние напряжения. Сварочную ванну условно можно разделить на две части (см. рисунок ниже): головная (АВ и САД), в которой происходит нагрев и плавление основного металла и хвостовая (ВК и СКД), в которой идут процессы охлаждения, кристаллизации и формирования сварного шва. Фронтом кристаллизации служат стенки сварочной ванны, форма которой происходит по нормали к поверхности фронта.
— применение в процессе сварки механических колебаний ванны, или электромагнитного перемешивания жидкого металла;
— применение, по возможности многопроходных швов. термическая или термомеханическая обработка сварного шва.
1. Феррит, что выделяется при переходе через температуру, что характеризуется линией GS не успевает весь выделиться и потому аустенит в момент эвтектоидного преобразования будет иметь меньше углерода чем 0,8%.
2. В результате эвтектоидного преобразования образовывается большее количество перлита с меньшим содержимым углерода, чем при равновесных превращениях (за счет смещения точки S вниз и влево).
Таким образом, зоны металла, которые имели большую скорость охлаждения, будут иметь мелкозернистую перлитную структуру, причем количество перлита будет больше чем при равновесных условиях. По химическом составу металл шва обычно отличается от основного металла, так как имеет литую структуру, которая имеет худшие механические свойства, чем основный металл, и для обеспечения условия равнопрочности металл шва легируют специальными элементами, которые повышают его механические свойства. Кроме этого, как правило, металл шва всегда имеет меньшее содержание углерода, чем основный металл, благодаря особым условиям, которые имеют место при сварке.
В ЗТВ проходят также диффузные процессы. В зависимости от температуры и времени выдержки можно наблюдать диффузию углерода и иных элементов с ОШЗ и наоборот. Примером такого процесса есть проникновение меди в основный металл при наплавке меди на сталь, снижение содержания углерода в ОШЗ при наплавке швами, которые содержат элементы, с которыми углерод образовывает нерастворимые соединения (карбиды).
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 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).
Рис. 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)
9. Как подразделяются сварные швы по отношению к действующим
12. Для чего устанавливаются условные изображения и обозначения швов
17. Назвать конструктивные элементы сварного шва.
Сварочные материалы.
Свойства металлов и сплавов определяются их химическим составом и структурой. Так как в ряде случаев даже относительно благоприятная литая структура сварного шва все же хуже улучшенной структуры основного металла, то одним из наиболее действенных средств улучшения его свойств является подбор химического состава металла шва, позволяющего относительно сблизить его свойства со свойствами основного металла, обычно улучшенного дополнительной обработкой.
Поэтому, как правило, при выполнении сварки стремятся получить состав металла шва, отличающийся от основного металла, но имеющий необходимые свойства, например прочностные, близкие к эталону — основному металлу.
Регулировать состав металла шва можно используя необходимые для этих целей сварочные материалы.
Металл сварных швов при сварке плавлением формируется либо за счет расплавления только основного металла, либо, более часто, за счет расплавления основного и добавочного (присадочного металла).
Выбирая для каждого конкретного способа сварки соответствующие сварочные материалы, можно активно воздействовать на состав металла шва и, как следствие, обеспечивать его свойства, т. е. выбор сварочных материалов определяет возможность активного регулирования состава и свойств металла шва.
Иными словами, подбор сварочных материалов является важным средством активного вмешательства также и в свойства металла зоны сплавления.