Розділ 5.3 зварюваність металів

Зварюваністю називається здатність металів утворювати міцні й надійні зварні з'єднання. Очевидно, що зварне з'єднан­ня й основний метал повинні мати близькі механічні власти­вості. Міцність зварних з'єднань знижують різноманітні де­фекти.

5.3.1. Макроскопічні дефекти зварних з'єднань

Макроскопічними дефектами зварних з'єднань є тріщи­ни, порожнини, неметалеві вкраплення, непровари, пропалини та ін. Дефекти виникають переважно внаслідок порушень тех­нології зварювання.

Тріщини — це несуцільності, які можуть утворюватись і рос­ти під дією робочих навантажень, усадки металу або термічних

чи структурних напружень, зумовлених нерівномірним охолод­женням зварного з'єднання. Тріщини істотно знижують міц­ність металу, тому їх наявність у відповідальних зварних кон­струкціях неприпустима. Після виявлення тріщини необхідно заварювати.

Основна причина утворення порожнин — це виділення ок­сиду вуглецю CO, водню або азоту, які добре розчиняються у рідкому металі шва й сильно зменшують свою розчинність під час охолодження металу. Частина виділених газів виходить в атмосферу, а частина їх залишається в металі у вигляді газових порожнин довільної округлої форми і газових нop сферичної форми. Порожнини хоч і зменшують фактичний переріз зварного шва, проте завдяки округлій формі є меншими концентратора­ми напружень, ніж тріщини. Щоб звести до мінімуму порожниноутворення, необхідно прожарювати зволожені електроди, очищати зварні краї заготовок від іржі та забруднень і вводити до складу електродів сильні дезоксидатори.

Неметалеві вкраплення у вигляді оксидів, сульфідів, ніт­ридів тощо потрапляють у метал шва з покрить електродів, флюсів, з атмосфери й утворюються внаслідок хімічних мета­лургійних реакцій у рідкому металі. їх форма може змінюва­тись від сферичної до пластинчастої.

Не провар — частина шва, де відсутнє суцільне з'єднання внаслідок несплавлення країв основного металу шва або різних шарів шва. Непровар є небезпечним дефектом, який різко змен­шує міцність зварного з'єднання.

Пропалина — наскрізний отвір у шві, зумовлений малою товщиною зварюваних заготовок, нерівномірним зазором між ними або великою силою зварювального струму.

5.3.2. Мікроструктура зони термічного впливу

Зона термічного впливу — це прилеглий до шва об'єм основного металу, в якому відбулись структурні зміни внаслі­док теплової дії дуги. Ширина зони термічного впливу зале­жить від товщини металу, його хімічного складу, виду й режи­му зварювання й може сягати 25 мм і більше.

Рис. 5.3.1. Схема розподілу максимальних температур під час

зварювання (а) і спрощена діаграма Fe-C (б):

1-2 - ділянки неповного розплавлений; 2-3 - перегріву; 3-4 - нормалізації;

4 5- неповної перекристалізації; 5-6 - рекристалізації

Крива розподілу температур нагрівання металу в зоні терміч­ного впливу (рис. 5.3.1) і діаграма залізо-вуглець дають змогу спрогнозувати структурні зміни в сталі зі заданим вмістом вуг­лецю. Перенісши точки перетину лінії складу К з лініями діа­грами на криву температур нагрівання й спроектувавши їх на зварюваний елемент, отримаємо характерні ділянки зони тер­мічного впливу.

Вузька грубозерниста ділянка 1-2 утворилась з рідкого ме­талу шва, що контактував з частково розплавленими зернами основного металу.

Метал ділянки 2-3 не розплавлявся, а був лише перегрітий. Висока температура зумовила значне зростання зерен аустені­ту. Утворена під час охолодження структура може складатись з грубих пластин фериту, які перерізують перлітні колонії. Та­кій структурі властива підвищена крихкість.

У межах ділянки 3—4 під час нагрівання утворились дрібні зерна аустеніту, а під час охолодження — дрібнозерниста ферит-но-перлітна структура з підвищеними міцністю та ударною в'яз­кістю.

Структура ділянки 4—5 — дрібнозернисті ферит і перліт, а також грубі зерна фериту, які під час нагрівання не зазнали фазових перетворень.

Максимальна температура ділянки 5-6 не перевищувала критичної точки Ас_л. Фазові перетворення тут відсутні, проте можлива рекристалізація у випадку, якщо сталь перед зварю­ванням була холоднодеформована.

Високі швидкості нагрівання й охолодження під час зварю­вання мають істотний вплив на температуру й механізми фазо­вих перетворень. Через це діаграма залізо-вуглець лише набли­жено описує структурні перетворення в зоні термічного впли­ву. Щоб зменшити негативний вплив швидкості охолодження, яка може досягати критичних значень, і не допустити утворен­ня крихких структур гартування, іноді перед зварюванням ме­тал попередньо підігрівають.