11 Кристалізація металу шва та технологічна міцність
11.1 Загальні положення теорії кристалізації
Перехід металу з рідкого стану в твердий має назву первинної кристалізації, а структура, яка утворюється, має назву первинної структури. Сучасна теорія кристалізації базується на зародковому механізмі кристалізації.
Відомо, що з двох фаз має розвиток та, у якій вільна енергія менша.
, (11.1)
де F — вільна енергія;
T — абсолютна температура;
S — ентропія (функція стану системи, яка характеризує напрямок
теплообміну).
Зміна вільної енергії рідкої та кристалічної фаз наведена на
рисунку 11.1.
Розвиток процесів у напрямку переходу рідкої фази в тверду можливо лише при Fкр < Fр. При невеликому переохолодженні Т у металі утворюються центри кристалізації, від яких росте кристал. Кристалізація характеризується двома процесами:
Утворенням центрів кристалізації (характеризується кількістю
центрів кристалізації за одиницю часу в одиниці об’єму).
2. Лінійною швидкістю росту кристалів (рисунок 11.2).
При невеликому переохолодженні швидкість лінійного росту кристалів опереджає виникнення центрів кристалізації (ростуть великі кристали). При великому переохолодженні утворення центрів кристалізації випереджає лінійний ріст кристалів. Чим більше величина переохолодження, тим більше центрів кристалізації та більша лінійна швидкість росту кристалу (невелике зерно). Для отримання дрібнозернистої структури необхідно збільшити кількість центрів кристалізації. Це робиться шляхом введення в зварювальну ванну модифікаторів. В загальному випадку кристали ростуть у напрямку, перпендикулярному поверхні тепловідводу.
11.2 Особливості плавлення та кристалізації металу шва
Зварювальну ванну поділяють на дві зони:
1) передню (А, рисунок 11.3);
2) хвостову (Б, рисунок 11.3).
У передній зоні відбувається плавлення металу. Температура в цій зоні значно вища, ніж в хвостовій зоні, тому реакції між шлаковою, газовою та металевою фазами протікають в основному у цій зоні, яка має назву реакційної зони. У хвостовій зоні відбувається кристалізація металу шва та його формування.
Рідкий метал у першій та другій зонах знаходиться на різних рівнях, що пояснюється видуванням рідкого металу тиском електричної дуги в хвостову частину. Однаковість рівнів може забезпечуватись за рахунок однаковості тиску дуги та гідростатичного тиску рідкого металу та шлаку.
Форма та об’єм зварювальної ванни залежать від:
1) природи джерела живлення;
2) теплофізичних властивостей матеріалу, що зварюється;
3) режиму зварювання.
В загальному випадку розрізняють три види структури металу після кристалізації:
1. Гранулярну (рисунок 11.4, а);
2. Стовпчасту (рисунок 11.4, б);
3. Дендритну (рисунок 11.4, в).
Гранулярна структура має місце при повільному охолодженні та рівномірному розподілі по об’єму центрів кристалізації. Стовпчаста структура має місце при формуванні металу шва. Дендритна структура має місце при кристалізації злитку.
Кристалізація металу шва відрізняється від кристалізації злитку, тому що:
1. Зварювальна ванна знаходиться під одночасною дією джерела теплоти та охолоджуючої дії основного металу.
2. Об’єм зварювальної ванни по відношенню до холодного основного металу значно менший, швидкість охолодження зварювальної ванни більша.
3. Температура основного металу, контактуючого з ванною у різних зонах, не однакова.
4. Швидкість кристалізації металу зварювальної ванни визначається швидкістю пересування зварювальної головки, тобто швидкістю зварювання.
Процес росту стовпчастих кристалів у металі шва має ряд особливостей. Поверхня основного металу, що контактує з рідким металом зварювальної ванни геометрично неоднорідна. На першому етапі кристалізації кристали, що утворюються, ростуть перпендикулярно поверхні на локальних ділянках. Далі ростуть лише ті кристали, які зорієнтовані перпендикулярно до загальної поверхні тепловідводу.
Розрізняють три види стовпчастої структури металу шва.
На рисунку 11.6 показаний лускатий вид шва, що утворюється при дуговому зварюванні. Утворення такого шва можна уявити як послідовне надходження хвиль рідкого металу з хвостової частини та його послідуючої кристалізації.
Тривалість перебування металу в рідкому стані визначається
, (11.2)
де L — довжина зварювальної ванни;
Vзв — швидкість зварювання.
При підвищенні зварювального струму до 400 А ширина та висота зварного шва змінюється незначно, глибина зварного шва збільшується. При підвищенні струму більше, ніж 400 А збільшується як висота, так і глибина зварного шва (збільшення глибини випереджає збільшення висоти шва). При підвищеному струмі можливе виникнення таких дефектів: пропал, перепал металу, підріз.
При підвищенні електричної напруги відбувається зменшення глибини (веде до непровару кореня шва), збільшення ширини шва. Величина посилення шва змінюється незначно.
При підвищенні швидкості зварювання величина посилення та глибина зварного шва змінюються незначно, зменшується його ширина. При великих швидкостях зварювання може утворитися підріз.
Дефекти форми і розмірів швів - неповномірність, нерівномірність і несиметричність швів, підріз, наплив, пропал (наскрізне проплавлення). Неповномірність шва (рис. 11.7, поз. 2) виникає при недостатній швидкості подачі електродного дроту для даної швидкості зварювання. Нерівномірність шва - по довжині шва його ширина b, посилення шва с та глибина проплавлення h (рис. 10.2) не постійні по розміру внаслідок коливань режиму зварювання. Несиметричність швів - несиметричне розташування перетини шва відносно його вісі (рис 11.7, поз. 9).
Підріз (рис. 11.7, поз. 10) - виїмка в основному металі, яка виплавляється у процесі зварювання уздовж краю шва. Наплив (рис. 11.5, поз. 11) - зайво наплавлений метал біля кромок, який наплив в процесі зварювання на основний метал. Пропал (рис. 11.7, поз. 3) - наскрізне проплавлення металу, що зварюється.
До дефектів, що порушують суцільність зварних з'єднань відносять (рис. 11.5): непровари (поз. 6) - несплавлення крайок; пропал; тріщини (поз. 5); газові (поз. 1) і шлакові вмикання (поз. 4).
