Строение сварных соединений

Соединений и наплавленных слоёв

Влияние сварочных материалов на свойства сварных

Вопросы для самопроверки

1. Вследствие чего происходит значительный перегрев расплавляемого

металла при локальном нагреве в процессе сварки?

2. Как ведёт себя расплавленный металл в процессе сварки по

отношению к водороду?

3. Растворяется ли азот в меди в процессе сварки?

4. Как охарактеризовать скорость реакций в процессе сварки?

5. Чем обеспечивается степень раскисления металла в сварочной ванне?

6. Как изменяется азотирование металла во время сварочного процесса с уменьшением размера капель переносимого присадочного металла в сварочную ванну?

7. Как влияет растворённый кислород в сплавах на железной основе на растворимость водорода?

8. Какое химическое воздействие совершают шлаки на металл?

9. От чего зависит разделение шлака и жидкого металла?

10. Что такое легирование металлов и как оно производится?

При наиболее распространенных способах сварки плавлением в результате действия источника сварочного тепла образуется ванна расплавленного металла — сварочная ванна, которая после затвердевания — кристаллизации обеспечивает создание метал­лической связи с нерасплавленными зонами свариваемых элемен­тов. Распространение тепла в свариваемых элементах приводит к нагреву того или иного из объемов, прилегающих к расплавлен­ной зоне. По мере удаления от зоны нагрева обычно подвижного источника сварочного тепла температура металла снижается и в свариваемых изделиях значительных размеров достигает их начальной температуры (температуры окружающей среды). В не­которых объемах металла, получивших при этом нагрев выше некоторой минимальной температуры, зависящей от состава сва­риваемого металла и его состояния перед сваркой, (наличия на­клепа, структуры закалки и пр.), происходит изменение структуры и свойств. В целом такая измененная в результате сварки область свариваемого металла называется зоной термического воздей­ствия или зоной термического влияния (ЗТВ).

Сварные соединения работают в различных условиях, в связи с чем к ним предъявляются и различные требования. В большинстве случаев основным требованием, предъявляе­мым к сварным соединениям, является обеспечение ими необхо­димой механической прочности конструкции. В качестве других требований могут быть отмечены: обеспечение плотности (герме­тичности), химической стойкости, жаропрочности и др. В ряде случаев требования могут быть комплексными: например, сварные соединения некоторых трубопроводов должны быть и прочными, и плотными; соединения корпусов судов — прочными, плотными и коррозионностойкими в слабоагрессивных средах (вода, морская вода); в химических агрегатах — и прочными, и плотными, и химически стойкими в среде той или иной степени агрессивности.

С точки зрения гарантии свойств и служебных характеристик конструкций безразлично, за счет какой составляющей — основ­ного металла или любой зоны сварного соединения (металла шва, зоны измененных свойств основного металла в результате сварки) она окажется ненадежной, разрушится, выйдет из строя, перестанет выполнять свое назначение. Поэтому в сварных соеди­нениях в целом необходимо обеспечивать, чтобы комплекс их свойств отвечал требуемой надежности в условиях эксплуатации. В связи с этим и все составляющие сварных соединений должны обеспечивать необходимую надежность сварных конструкций.

Рассмотрим схему сварного соединения (рис.17). Расплавившийся при сварке металл и впоследствии закристал­лизовавшийся образует металл шва (1), имеющий либо литую структуру (при однослойной сварке, выполняемой в один проход на все сечение), либо структуру литого металла, подвергшегося в некоторой своей части дополнительной термической обработке при последующих нагревах (в случае выполнения свар­ки в несколько проходов),

Металл шва своими кристаллами (образовавшимися при кристаллизации металлическими связями) связан с зернами нерасплавлявшегося при сварке

Рис. 17. Схема поперечного разреза

сварного соединения

свариваемого металла, обычно не литого, а получившего перед сваркой термопластическую обра­ботку (проковку, прокатку), иногда холодную пластическую (хо­лодную прокатку, гибку и пр.), а также термическую обработку (нормализацию, закалку и др.). Переход 2 от металла шва к не-расплавлявшемуся при сварке основному металлу называется обычно границей сплавления, хотя по существу она имеет ту или иную линейную протяженность (в поперечном сечении соединения, согласно рис. 17) и является зоной сплавления.

Такая зона должна включать в себя не только участок металла, расплавленного частично вследствие наличия разницы температур ликвидуса (полного расплавления основного металла) и солидуса (темпера­туры начала его плавления), т. е. участок, где в связи с непол­ным расплавлением при сварке имело место двухфазное твердо-жидкое состояние, но и прилегающие к ней участки полностью не расплавленного основного металла и металла шва, по химиче­скому составу отличающихся и от основного свариваемого металла и от более удаленных от этой зоны участков металла шва.

Условно на рис. 17 эти границы показаны: линией а - видимая граница сплавления и линиями b и с - обычно невидимые участки спе­цифичных составов с химической неоднородностью по ширине участка с - b

Далее от металла шва - 1, за зоной сплавления 2 в сварном соединении располагается зона термического влияния 3. Металл этой зоны по химическому составу обычно по всем элементам, кроме водорода (который может в нее диффундировать при сварке, а в некоторых случаях и при вылеживании сварных соединений при обычных или повышенных температурах), аналогичен свариваемому основному металлу, но может от него отличаться струк­турой и свойствами.

Характер этих изменений в зависимости от состава свариваемого металла может быть весьма разнообразным. Так, у металлов и сплавов, не имеющих полиморфных превраще­ний (медь, алюминий или некоторые сплавы на их основе), посту­пивших на сварку в термически стабилизированном состоянии (после отжига при оптимальных температурах), в такой зоне наблюдается укрупнение зерен, иногда изменение (часто утолще­ние) границ зерен, появление двойников и пр. В некоторых слу­чаях имеет место выпадение химических соединений: например, во многих аустенитных хромоникелевых сталях - выпадение карбидов, главным образом у границ зерен. Могут происходить и другие изменения как обнаруживаемые, так иногда и необнаруживаемые при обычных методах металлографического анализа структуры, но вызывающие изменение тех или иных физико-механических свойств металла в сравнении с его исходным со­стоянием.

Для металлов, обладающих полиморфизмом, в такой зоне обычно заметно изменяется структура в участках, где температура нагрева при сварке превосходила критические температуры, при которых устойчивая решетка низкотемпературной фазы (напри­мер, решетка объемно-центрированного куба Fe_a) перестраивается в кристаллическую решетку высокотемпературной фазы (в этом случае — гранецентрированного куба Fe_Y). После обычного при сварке ускоренного охлаждения в этих зонах при распаде высо­котемпературной фазы получаются неравновесные структуры продуктов распада, естественно, со своими особыми свойствами.

Вся зона термического влияния, как правило, неоднородна по структуре и в своих отдельных участках имеет заметно изме­няющиеся свойства.

В некоторых случаях общая работоспособ­ность сварного соединения определяется размером и свойствами определенного участка зоны термического влияния.

За зоной термического влияния следует не измененный ни по структуре, ни по свойствам основной металл.

В большинстве случаев для обеспечения надежной работы конструкции должен быть правильно выбран материал, в част­ности металл, для ее изготовления. При правильном выборе ме­талла комплекс его свойств обеспечивает все необходимые эксплуа­тационные, рабочие характеристики конструкции. Материал свар­ных соединений также должен обеспечивать надежную работу сварной конструкции в целом.

С этой точки зрения (предполагая необходимость правильного конструирования и изготовления, включая сварку) свойства основного металла могут рассматриваться как эталон, воспроиз­ведение свойств которого в сварных соединениях решает задачу надежности всей сварной конструкции.

Свойства сварных соединений в сравнении со свойствами основ­ного металла должны рассматриваться как комплексные основной металл - сварное соединение, так в некоторых случаях и диф­ференцированно-основной металл - участок (составляющая) свар­ного соединения.

Для упрощения задачи пренебрежем общей характеристикой основной металл - сварное соединение и рассмотрим соотноше­ние свойств основной металл - составляющие сварного соеди­нения. В данном случае будем сравнивать неизменный термиче­ским циклом основной металл с металлами зоны термического влияния, зоны сплавления и металлом швов. Начнем с сопоставле­ния основной металл - металл шва.

Металл шва - литой металл, правда, полученный в специфи­ческих условиях обработки и кристаллизации, характерных для сварки. Основной металл в большинстве случаев улучшается термопластической, а иногда и термической обработкой.

Известно, что, как правило, литой металл обладает худшим комплексом свойств, чем горячедеформированный и термически улучшенный. Чем же обеспечить сопоставимость свойств литого металла шва и улучшенного основного металла?

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. Так, обычно состав однопроходного металла шва образуется в результате смешивания расплавленных основного и добавочного (наплавляемого) метал­лов. Наплавленный металл — это продукт перера­ботки сварочных материалов (присадочной или электродной про­волоки, плавящихся электродов и пр.) при конкретном способе сварки, поступивший через ванну в металл сварного шва. 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.

Зона сплавления, как указано выше, в основном определяется переходными составами металла от основного к шву, Большая ее часть находится при сварке в расплавленном или полурасплавленном состоянии. Поэтому в той или иной степени состав ме­талла зоны сплавления также связан с составом металла ванны, а следовательно, с составом наплавляемого металла. Иными словами, подбор сварочных материалов является важным сред­ством активного вмешательства также и в свойства металла зоны сплавления.

Свойства зоны термического влияния в основном определяются термопластическим циклом, сопровождающим выполнение сварки и связанным со способом и режимом сварки. Степень сосредото­ченности или распределённости источника сварочного тепла и его мощность определяют локальность расплавления металла, размеры сварочной ванны, количество тепла, отводимого в окру­жающий не расплавляющийся металл, а следовательно, темпера­турное поле в свариваемом изделии и термические циклы соот­ветственно расположенных объемов металла. Это определяет скорости их нагрева, длительность пребывания при высоких темпе­ратурах, вызывающего рост зерна и другие явления, а также ско­рости охлаждения, весьма важные для конечных свойств металла. Поэтому в большинстве случаев средством активного вмешатель­ства в свойства металла зон термического влияния является пра­вильный выбор способа сварки и режима сварки.

Однако в некоторых случаях на свойства металла зон терми­ческого влияния и особенно наиболее высоко нагреваемых при сварке участков, близких к границе сплавления, влияет и пра­вильный выбор сварочных материалов. Это влияние определяется как количеством водорода, диффундирующего из шва в зону тер­мического влияния, так и полем собственных внутренних напря­жений в околошовной зоне, связанным с соотношением составов и свойств металлов шва и зоны термического влияния.

Пласти­ческие свойства сварных соединений, иногда сразу после сварки невысокие, восстанавливаются, возрастая в несколько раз после выдержки при комнатной температуре. Темп и степень такого повышения пластичности часто определяются количеством водо­рода, вводимого в металл шва при том или ином способе сварки и применяемых сварочных материалах.

К ряду изделий предъявляются специфические требования в отношении свойств поверхностей деталей, узлов или всей кон­струкции. Так, например, поверхности рельсов, направляющих станков и пр. работают на истирание, абразивный износ. У дру­гих изделий поверхность может работать в контакте с химически агрессивными газами или жидкостями (этот металл должен быть химически стойким). Иногда эти условия усложняются одновре­менным действием повышенных температур и ударного механического воздействия (например, клапаны двигателей). Следова­тельно, такие детали или узлы конструкции должны иметь не только определенную форму (что достигается применением соот­ветствующей технологии изготовления заготовок и обычно механической их обработкой) и механическую прочность (обеспе­чиваемую свойствами металла детали и ее размерами), но неко­торые их поверхности должны обладать специфическими свой­ствами.

Одним из наиболее эффективных средств получения таких дета­лей (изделий) является комбинирование в них двух металлов, при­чем из одного делается основная часть детали, обеспечивающая ее форму, размеры, прочность, а из другого - поверхности, рабо­тающие в особых условиях. Как распространенный метод решения

Рис. 18. Схема наплавки на деталь

этой задачи известна наплавка, которая заключается в том, что на соответствующие поверхности сварочными методами наплав­ляют слои металла, имеющего необходимые свойства. Схематически наплавка части поверхности плоской детали показана на рис.18.

Наплавка 1, осуществленная сварочными методами на основ­ной металл 4, также будет сопровождаться наличием зоны сплав­ления 2 и зоны термического влияния 3.

В связи с тем, что к слою наплавки /, особенно к ее поверх­ности, предъявляются обязательные требования специфичности свойств, это обычно достигается выбором состава металла на­плавки. Его можно получить радикально отличающимся от со­става основного металла 4 только путем применения специальных наплавочных материалов.

Таким образом, и в этом случае методом активного влияния на состав, а следовательно, и свойства наплавленных слоев по­верхностей является выбор сварочных (наплавочных) материалов. При этом необходимо учитывать сварочные свойства материала, на который производится наплавка, так как довольно часто опре­деляющим при наплавке являются не свойства наплавляемого материала, а те дефекты, которые возникают в районе зоны сплав­ления (трещины, отколы и т. п.).

Подобным же примером может служить, например, пайка, при которой свойства соединений и их надежность также во многом зависят от правильного выбора материала - припоя.

Дата добавления: 2014-11-29