Лекция 7
Физико-механические основы обеспечения высоких показателей при сварке
1. Кинетические характеристики способов сварки
Сварное
соединение считают высококачественным
или равнопрочным, если его механические
свойства близки к механическим свойствам
основного материала и в нем отсутствуют
дефекты, снижающие эксплуатационные
свойства изделия. Характер теплового
воздействия источника нагрева на каждый
участок материала шва определяется
термическим циклом сварки
,
т.е. зависимостью температуры Т от
времени t.
Термические циклы различных технологиях
сварки показаны на рисунке 7.1. Термический
цикл имеет ветвь нагрева и ветвь
охлаждения. В зависимости от технологии
сварки скорость тепловыделения
может изменяться в пределах от 200 о/С
(при ЭШС) до 10000 о/С
(при ЛС).
Рисунок 7.1 Графики зависимости температуры сварки от времени для разных технологий.
1
-
ЛС – лазерная сварка
2 - ЭЛС – электронно-лучевая сварка
3 – АДС – автоматическая сварка
4 - ЭШС – электрошлаковая сварка
При этом протекают фазовые и структурные превращения, диффузионные процессы, приводящие к перераспределению примесей, элементов структуры (границ зерен, размеров зерен). Следует отметить, что при одинаковом характере процессов, протекающих при сварке и литье, скорости этих процессов при сварке существенно выше. Вследствие этого ликвация при сварке значительно менее эффективна, чем при литье. Сварочные дефекты аналогичны тем, которые образуются при литье. Большинство дефектов являются результатом несоблюдения режимов сварки. Поэтому современные сварочные установки снабжают устройствами, регулирующими и стабилизирующими процесс сварки – следящие системы, системы с обратной связью и т.п. Особенно важным для достижения высокого качества сварки является использование программного управления ветви охлаждения, фактически определяющей качество сварки.
При сварке плавлением в зоне сварки происходят сложные физико-химические процессы. В большинстве технологий сварки плавлением имеет место локализация объема материала, подвергаемого быстрому нагреву и охлаждению, и, вследствие этого, расширению и сжатию, которое затрудняется окружающим холодным материалом. Таким образом возникают сначала сжимающие, а затем растягивающие напряжения. Величина этих напряжений зависит от скорости охлаждения, массы изделия, конфигурации свариваемых заготовок и т.п. При высоком уровне сварочных напряжений может возникать деформация всей конструкции, локализованная деформация в зоне сварки и микроскопическая деформация структуры материала. Напряжения, вызываемые сваркой принято разделять на временные и остаточные. Результатом временных напряжений могут быть горячие трещины. Результатом остаточных напряжений могут быть холодные трещины.
Горячие трещины возникают при кристаллизации материала шва и во всех случаях зарождаются и распространяются по границам зерен. Холодные трещины обычно образуются не в шве, а в зоне сплавления и на участке перегрева основного материала. Существует несколько гипотез по поводу их возникновения: закалочная, водородная и т.д. Холодные трещины часто образуются в сталях перлитного и мартенситного классов, если в процессе сварки происходит закалка в зоне термического влияния. Склонность к холодным трещинам увеличивается при насыщении шва водородом, который попадает в шов из влажных электродных покрытий и окружающего воздуха. Холодные трещины являются основной причиной разрушения сварных изделий в процессе эксплуатации, т.к. образовавшиеся зародышевые трещины способны расти со временем. Распространение холодных трещин происходит скачками и сопровождается интенсивным звуком. Различают три типа трещин, образующихся при термической обработке сварных соединений: 1 – возникшие при сварке и раскрывшиеся при термической обработке вследствие релаксации сварочных напряжений. 2 - возникшие при температурах более 200оС вследствие появления высоких растягивающих напряжений из-за неравномерного нагревания изделия. 3 – возникшие при высоких температурах – трещины имеют ярко выраженный межкристаллитный характер в материалах с низкой пластичностью вследствие деформаций, вызванных релаксацией напряжений.
Сварные соединения можно получить практически на всех металлах. Однако для получения качественного шва на плохо свариваемых металлах необходимо применять сложные технологические приемы в зависимости от этого все материалы подразделяют на группы свариваемости.