Главная страница » Формирование структуры металла в зоне термического влияния сварных соединений
Формирование структуры металла в зоне термического влияния сварных соединений
Зона термического влияния является обязательным спутником сварного шва при всех способах сварки плавлением и давлением, кроме холодной сварки. Эта зона охватывает основной металл, не расплавляющийся в процессе сварки и сохраняющий неизменным свой химический
состав, но изменивший свою структуру и механические свойства вследствие нагрева и охлаждения (термообработки) в процессе сварки.
Прочность сварного соединения и его эксплуатационные свойства во многом зависят от структурных изменений, которые происходят в ЗТВ.
Строение и размеры ЗТВ зависят от химического состава и теплофизических свойств свариваемого металла, мощности источника теплоты,
степени его концентрированности, скорости движения и других факторов. Ширина ЗТВ меняется от 1…3 мм при ручной дуговой сварке
до 20 мм и более при электрошлаковой сварке.
Термический цикл любой точки металла сварного соединения характеризуется максимальной температурой нагрева, длительностью нагрева до определенной температуры и скоростью охлаждения. Для ЗТВ
характерно неравномерное распределение максимальных температур
нагрева (рис. 1.4).
Рис. 1.4. Термический цикл при сварке плавлением: 1, 2, 3, 4 – точки, в которых измерялась температура
Результат теплового воздействия на металл в ЗТВ зависит от его
отношения к термообработке. В зависимости от способа и погонной энергии сварки возможны два предельных случая:
1) закалка – при быстром охлаждении – с образованием твердых
и хрупких структур и возникающих при этом значительных по величине
напряжений;
2) перегрев – при медленном охлаждении, – характеризующийся
чрезмерным ростом зерна и снижением пластических и вязких свойств
металла.
Оценить общий характер возможных превращений, протекающих
в ЗТВ при сварке низкоуглеродистых сталей, можно по диаграмме железо–цементит, а при различных скоростях охлаждения – по термокинети-
ческим диаграммам распада аустенита, которые построены для большинства марок углеродистых и легированных сталей. Скорость охлаждения
обычно оценивается в интервале температур наименьшей устойчивости
аустенита (500…550 °С). При малых скоростях охлаждения, соответствующих электрошлаковой и ванной сварке, превращение аустенита приводит к формированию структуры, состоящей из феррита и перлита.
При средних скоростях охлаждения (автоматическая сварка под флюсом)
в зависимости от марки стали образуются перлит и бейнит или бейнит
и мартенсит с небольшим количеством феррита. При скорости охлаждения выше критической образуется только мартенсит. Мартенситное превращение сопровождается увеличением объема стали и возникновением
больших напряжений, которые могут вызвать разрушение металла.
В подобных случаях приходится принимать специальные меры к улучшению структуры металла ЗТВ и предотвращению образования мартенсита. Эти меры сводятся к изменению теплового режима в процессе сварки, выбору рациональной формы разделки кромок под сварку и последующей термообработке.
На рис. 1.5 показана схема структур, образующихся в зоне термического влияния при сварке стыкового соединения из малоуглеродистой
стали за один проход.
Рис. 1.5. Строение ЗТВ при сварке низкоуглеродистой стали
Над сечением шва показана кривая температур, а рядом – часть
диаграммы железо–цементит в том же масштабе. В зависимости от температуры нагрева в ЗТВ различают следующие участки:
- перегрева;
- нормализации;
- неполной перекристаллизации;
- рекристаллизации.
Участок перегрева. Он включает металл, нагретый до температур
выше 1100 °С, т. е. несколько ниже температуры плавления. Металл на
этом участке в процессе нагрева претерпевает аллотропические превращения ( α - железа в γ - железо), сопровождающиеся ростом аустенитного
зерна. В тех случаях, когда перегрев сочетается с последующим быстрым охлаждением (закалка), металл на этом участке после сварки облада-
ет пониженной пластичностью и прочностью по сравнению с основным
металлом. Участок особенно опасен для закаливающихся сталей, поэтому
выбор рациональной технологии сварки сводится в первую очередь к обеспечению наименьшего ухудшения свойств на этом участке ЗТВ.
Участок нормализации (перекристаллизации). Этот участок охватывает металл, нагретый до температуры, немного превышающей тем-
пературу аллотропических превращений (900…1050 °С). Происходящий
здесь процесс перекристаллизации при нагреве и охлаждении приводит
к значительному измельчению зерен металла. Структура металла становится более мелкозернистой по сравнению с исходной. Механические
свойства металла этого участка обычно лучше, чем основного металла.
Участок неполной перекристаллизации. Он включает металл,
нагретый до температур 700…850 °С. При этих температурах происходит частичная перекристаллизация, т. е. часть феррита остается в исходном состоянии, другая – образует аустенит. При последующем охлаждении и распаде аустенита образуется мелкозернистая структура, поэтому
здесь, наряду с зернами основного металла, не изменившимися в процессе сварки, присутствуют зерна, образовавшиеся при перекристаллизации.
Участок рекристаллизации (старения). Он наблюдается при сварке
сталей, предварительно подвергшихся пластической деформации (ковке,
прокатке). Температурный интервал участка 450…650 °С. На этом участке ЗТВ происходят сращивание (укрупнение) раздробленных при нагартовке зерен основного металла и некоторое его разупрочнение по сравнению с исходным состоянием. При сварке изделий из литья рекристаллизации не наблюдается. Для металлов и сплавов, склонных к старению, необ-
ходимо учитывать некоторое снижение пластичности на этом участке.
Об изменении прочностных и в определенной степени пластических свойств в различных участках металла шва и ЗТВ можно судить
по изменению твердости (рис. 1.6).
Повышение твердости обычно связано с повышением прочности
и снижением пластичности. Характер распределения твердости в ЗТВ
может быть различным, он определяется химическим составом стали
и режимом сварки. Обычно в сварных изделиях не допускается твердость
в зоне сварки более НВ = 300 МПа.
Таким образом, зона термического влияния неоднородна по структуре и механическим свойствам. Наиболее ослабленным является участок перегрева, а наилучшие механические свойства имеет участок нормализации. В целом механические свойства ЗТВ хуже, чем у основного
металла, поэтому ее размеры необходимо ограничивать.
Чувствительность стали к изменению термического цикла сварки
зависит от содержания в ней углерода, а также элементов, повышающих
ее прокаливаемость и склонность к перегреву.
В сварных соединениях низкоуглеродистой и большинства низколегированных сталей рост зерна в околошовной зоне не оказывает заметного влияния на свойства металла.
При сварке углеродистых и особенно легированных сталей быстрое охлаждение околошовной зоны вызывает часто закалку металла
и образование структур, имеющих значительные твердость и хрупкость.
В этих случаях для улучшения структуры и свойств ЗТВ применяют термическую обработку, обычно высокий отпуск.
Рис. 1.6. Изменение механических свойств в металле шва и околошовной зоне: а – твердость; б – прочность; в – пластичность
В последние годы в строительстве возрос объем сварочных работ
с применением углеродистых и низколегированных сталей, поставляемых в термоупрочненном состоянии. По сравнению с горячекатаным термоупрочненный металл (закаленный и отпущенный при определенной
температуре) имеет более высокие механические свойства и более низкую температуру хладноломкости.
При сварке такой стали в зоне термического влияния может наблюдаться разупрочнение (рис. 1.7). Протяженность разупрочненной зоны
(«мягкой прослойки») и величина разупрочнения оказывают большое
влияние на прочностные свойства сварного соединения. При правильном выборе сварочных материалов и режимов сварки прочность сварных соединений может быть практически равной прочности основного
металла, если протяженность разупрочненного участка и величина разупрочнения малы.
Рис. 1.7. Схема возможных вариантов распределения твердости в сварном соединении: ОМ – основной металл; св. шов – сварной шов, ЗТВ – зона термического влияния
При сварке давлением (например, контактная сварка) сварной шов
может иметь как литую структуру, так и пластически деформированную.
Например, при контактной точечной сварке прохождение тока вызывает
разогрев и расплавление металла в зоне сварки, создающее ядро сварной
точки. Точечная сварка низкоуглеродистой стали без расплавления металла хотя и возможна, но недостаточно надежна и поэтому на практике
почти не применяется.
Диаметр ядра, определяющий в основном прочность сварной точки, зависит от диаметра рабочей поверхности электрода, толщины листов, давления, силы тока и времени его прохождения. При неправильно
подобранном режиме сварки может не произойти достаточного расплавления металла, и получается непроваренная точка. Когда ядро расплавляется, прилегающая к нему по окружности зона металла находится
в пластическом состоянии и плотно сжимается давлением электродов.
Давление создает уплотняющее кольцо пластического металла, удерживающего жидкий металл ядра. При недостаточном давлении уплотняющее кольцо не может удержать жидкий металл ядра, и происходит внутренний выброс (выплеск) металла в зазор между листами.
Кристаллизация жидкого металла происходит так же, как и при электродуговой сварке, т. е. от поверхности ядра к его середине. Ядро имеет
столбчатую дендритную структуру. При охлаждении и затвердевании
происходит уменьшение объема расплавленного металла ядра. В результате в центральной части ядра могут образовываться усадочная раковина, пористость и рыхлость металла. Чем толще металл, тем сильнее неблагоприятное влияние усадки. Наиболее надежным способом борьбы с этим явлением может служить повышение рабочего давления.
При сварке давлением также имеется ЗТВ, однако ее общие размеры относительно малы и не оказывают решающего влияния на прочность
сварного соединения.
Практическую часть работы рекомендуется выполнять в следующей последовательности:
- Шлифы, изготовленные из сварных образцов, подвергают травлению 10…25 %-ным водным раствором азотной кислоты для выявления макроструктуры, которую исследуют невооруженным глазом или при
небольшом увеличении (до 5 раз).
- По макроструктуре определяют форму и размеры шва, глубину
проплавления, форму и размеры зерен, ширину ЗТВ, размеры крупных
зерен в околошовной зоне.
- Выявляют дефекты сварного соединения: непровары, трещины,
шлаковые включения и др. Результаты представляют в виде зарисовок
макроструктуры с изображением выявленных дефектов.
- Производят переполировку и повторное травление шлифов
2…4 %-ным раствором азотной кислоты в этиловом спирте. Микроструктуру исследуют на микроскопах МИМ-6, МИМ-7. До травления на полированной поверхности шлифа исследуются распределение и характер
неметаллических включений (S, P и т. д.). После травления изучается
структура шва и ЗТВ: определяются структурные составляющие (феррит, перлит, сорбит и др.) и их относительное количество. Результаты
исследований представляют в виде зарисовок микроструктуры.
- Производят измерение твердости на приборе Роквелла или микротвердости на приборе ПМТ-3 в поперечном направлении сварного соединения. Результаты измерений заносятся в таблицу и строится график
распределения твердости по сечению сварного соединения. Распределение твердости сопоставляется со схемой микроструктур и делается общий вывод о качестве сварного соединения.
Просмотров: 24200 Создан: 2012-10-18 Источник: Трубные технологии
41001411266496
924007080
