Формирование химического состава металла вблизи границы сплавления

Рассмотренное выше формирование состава металла шва или отдельных его слоев (валиков) дает только усредненные значения. Условия перемешивания основного и наплавленного металла в сварочной ванне в целом достаточно хорошие, и это приводит к хорошему усреднению состава жидкого металла за время суще­ствования ванны. Поэтому средние части объема ме­талла каждого отдельного валика однопроходного шва получаются по своему химическому составу до­статочно равномерными, даже в тех случаях, когда расплавленные основной и наплавляемый металлы имеют весьма различные, составы.

Рис. 19. Схема изменения концентраций неликвирующих элементов вблизи границы сплавления при большей концентрации эле­ментов в наплавленном металле, чем в основ­ном (/) и меньшей (2);

b — ширина зоны переменного состава

Однако вблизи границы сплавле­ния, где образуется гранич­ный слой жидкости с за­медленным движением, пе­ремешивание расплавленного основного металла и наплавленного полностью происходить не успевает,

чему дополнительно способствует и малое время существования жид­кого металла в этой части ванны. В связи с этим в некоторой зоне (обычно в пределах около 5% глубины или полуширины ванны) вследствие недостаточного перемешивания состав металла оказы­вается не таким, как в средних частях ванны, а по легирующим, неликвирующим примесям — промежуточным между централь­ными объемами ванны и основным металлом. Чем больше раз­личие составов основного металла и металла шва (определяемого в этом случае большим отличием состава наплавляемого металла от основного), тем более неравномерным будет в этой переходной зоне и состав металла шва вблизи границы сплавления. Схема изменения состава металла от центральных частей шва к границе сплавления показана на рис.19.

Известно также, что на этом же участке металла шва в резуль­тате прерывистости процесса кристаллизации имеет место весьма неравномерное распределение ликвирующих примесей с их на­коплением в слоях, эквидистантно расположенных по отношению к границе сплавления.

В процессе сварки сплавов зона сплавления находится в двух­фазном твердо-жидком состоянии. Ширина этой зоны зависит от интервала кристаллизации (разности температур ликвидус - солидус) и градиента температур в направлении, перпендикуляр­ном этой зоне, в какой-то степени некоторые элементы из металла сварочной ванны за счет диффузии проникают и в околошовную зону, в не расплавлявшийся при сварке металл.

Большинство легирующих элементов (например, Cr, Ni, Nb, Mn и др.) имеют более или менее заметные значения коэффициентов диффузии в железе (порядка 10^-7 - 10^-11 см²1сек) только при температурах выше 1200 - 1300 °С. Поэтому при охлаждении металла околошовных зон ниже этих температур при длительностях термического сварочного цикла (единицы секунд при этих температурах) их проникновение в твер­дый металл обычно ограничивается зоной 0,001 - 0,003 см (0,01 - 0,03 мм). Эксперименты с радиоактивным Nb⁹⁵ показали примерно такой же порядок ширины зоны его проникновения из шва в околошовную зону.

Сильнее диффундирует углерод (даже при 900 °С его коэффи­циент диффузии в Fe_а имеет порядок 10^-7 см²/_Сек). В связи с этим он заметно перемещается в большем диапазоне температур, а сле­довательно, и в течение более длительного времени в термическом цикле сварки. При различных режимах сварки он успевает продиффундировать в твердом металле околошовных зон на 0,05 - 0,2 мм.

Одним из наиболее диффузионно подвижных элементов яв­ляется водород. Он особенно заметно диффундирует при высоких температурах; однако его заметная диффузия в Fe_а наблюдается и при комнатных температурах. Даже при достаточно жестких режимах дуговой сварки к моменту охлаждения металла зоны термического влияния до комнатных температур водород успе­вает продиффундировать из шва в основной металл примерно на 1,5 мм.

В дальнейшем и при обычной температуре он продолжает поступать из перенасыщенных водородом швов в околошовную зону, распространяясь далее в основной металл.

В Ленинградском политехническом институте им. М. И, Калинина экспериментами зафиксировано прохождение водорода в основной металл от гра­ницы сплавления на 3,5 мм. По частному сообщению проф. Христенсена при большом количестве водорода в швах он проникает в основной металл на глубину около 10 мм. Правда, для этого требуется значительное время (много более 10 суток).

Таким образом, в зависимости от состава металла шва (а сле­довательно, от состава сварочных материалов, регулирующих состав сварочной ванны и шва) изменяется композиция металла и околошовных зон вблизи границы сплавления и его свойства. В наибольшем объеме металла вблизи границы сплавления и даже в зоне термического влияния может происходить изменение кон­центрации водорода, вызывающего во многих металлах и сплавах хрупкость.

Так, например, если при сварке толстолистовой закалива­ющейся стали электродами, дающими наплавленный металл типа Х20Н10Г6 или Х22Н15, механические свойства центральных частей металла шва подобны, то зона сплавления при применении электродов, дающих металл типа Х20Н10Г6, оказывается хуже. Обычно это связывают с дополнительным тепловым воздействием при выполнении многослойных швов, вызывающих в металле с по­вышенным содержанием марганца тепловую хрупкость.

Таким образом, применение различных сварочных материалов приводит к изменению состава металла сварочной ванны и свар­ного шва и влияет на состав и свойства металла в зоне сплавления, улучшая или ухудшая их. Поэтому правильный выбор сварочных материалов оказывает положительное воздействие не только на свойства металла шва, но и зоны сплавления.

Дата добавления: 2014-11-29