2.4. Заходи впливу на неоднорідності зварних з'єднань

Як вже було показано, основними факторами виникнення неодно­рідності є температурний стан зварного з'єднання, металургійні процеси та процеси кристалізації в металі зварювальної ванни, структурні пере­творення у твердому стані, а також термодеформаційні процеси в металі зварного з'єднання. Аналіз цих процесів дозволяє визначити відповідні шляхи впливу на їх розвиток в бажаному напрямі.

2.4.1. Регулювання температурного стану

Температурний стан описується сукупністю термічних циклів в різних точках зварного з'єднання (температурне поле). Термічним циклом (рис. 2.29) називається зміна температури в часі вибраної точки зварного з'єднання. Для лінійного джерела тепла (h_np > 2/3 д, h_np - глибина про­вару, д - товщина металу) термічний цикл визначається залежністю:

де q - потужність джерела тепла; v - швидкість зварювання; 8- товщи­на металу; Я - коефіцієнт теплопровідності; ер - об'ємна теплоємність; а - коефіцієнт температуропровідності; Ь - коефіцієнт температуровід-дачі; t- час, який відлічується з моменту, коли дуга проходить перетин, в якому знаходиться точка визначення температури; у - поперечна координата точки визначення температури відносно осі руху джерела тепла; - початкова температура або температура підігріву.

Термічний цикл дозволяє визначити максимальну температуру нагрівання , швидкість нагріву і охолодження (д Тід ґ), час знаходжен­ня металу вище заданої температури (t), тобто визначити режим теплового впливу на метал зварного з'єднання. Аналізуючи формулу, можна також визначити шляхи зміни характеру термічного циклу в потрібному напрямку, а саме шляхом:

• оптимізації параметрів режиму зварювання;

• застосуванням попереднього підігріву;

• застосуванням тепловідводів;

Оптимізація параметрів режиму зварювання полягає у призначенні бажаного співвідношення qlv (q - теплова потужність джерела тепла, ~ J,U, v - швидкість руху джерела), при якому одночасно досягається потрібний термічний цикл і якість зварного з'єднання.

Збільшення теплової потужності джерела тепла при інших незмінних Параметрах призводить до зростання максимальної температури в точці, збільшення швидкості нагріву і часу знаходження вище заданої темпе­ратури Т₃ та зменшення швидкості охолодження (рис. 2.30). Збільшення швидкості джерела призводить до зворотного ефекту.

Рис. 2.30. Вплив qiv на термічний цикл ( )

Попередній підігрів і (рис. 2.31) майже не впливає на швидкість нагрівання, але призводить до збільшення максимальної температури і часу знаходження вище заданої температури Т₃ та зменшення швидкості охолодження ( ).

Рис. 2.31. Вплив попереднього підігріву 1 - без підігріву, 2-з підігрівом

Застосування тепловідводу (-bt) звужує ширину зони поширення високих температур та збільшує швидкість охолодження.

2.4.2. Управління металургійними процесами і процесами кристалізації у розплаві зварювальної ванни

Металургійні процеси і процеси кристалізації у зварювальній ванні закладають остаточний хімічний склад, первинну (базову) структуру, май­бутні властивості та якість металу шва і залежать від багатьох факторів, впливати на які можливо за рахунок:

• управління кристалізацією металу зварювальної ванни;

• призначення відповідного способу зварювання;

• вибору параметрів режиму зварювання;

• оптимізації зварювальних матеріалів і основного металу.

При кристалізації можливе формування первинної структури різного типу, яка впливає на властивості зварних з'єднань. Під первинною струк­турою (субструктурою) розуміють структуру металу, що утвориться в про­цесі первинної кристалізації, тобто при переході розплавленого рідкого металу у твердий стан. Вторинна структура утвориться в результаті фізико-хімічних процесів і структурних перетворень у твердому стані.

Тип первинної мікроструктури сплаву залежить від траєкторії росту кристалів, зумовленої виглядом фронту кристалізації, характером розпо­ділу температури розплаву Т перед цим фронтом і вмістом домішок С₀.

Під впливом теплових і кінетичних умов кристалізації металу шва, хімічного складу сплаву, градієнта температур, швидкостей зварювання і кристалізації в різних зонах шва можливе утворення різних первинних структур: стовпчастої, поліедричної. Стовпчаста і поліедрична структури, у свою чергу, можуть бути сотовими, ніздрювато-дендритними, дендритними. Такі керуючі параметри росту кристалів, як швидкість кристалізації і градієнт температур у рідкій фазі, що чинять найбільш істотний вплив на структуру, яка утвориться, можуть раціонально підбиратися і змінюватися при зварюванні. Температурний градієнт у рідині можна підвищити збільшенням теплової потужності дуги шляхом підвищення напруги і сили струму чи понизити шляхом попереднього підігріву. Швидкість кристалізації можна регулювати зміною швидкості зварювання.

У випадку великих значень градієнта температур при кристалізації майже чистих металів (С₀ — 0) відбувається плоска кристалізація. Структура виходить стовпчастою. Такий тип структури характерний для шва поблизу зони сплавлення.

При тих же температурних умовах і малих значеннях швидкості кристалізації і С₀ утвориться сотова первинна структура. Метал з такою структурою складається з ряду паралельних елементів, що мають форму стержнів і протяжних у напрямку кристалізації. Стержні в поперечному перерізі мають форму, близьку до шестикутника.

При середніх значеннях градієнта температур, швидкості кристалі­зації і С₀ утвориться ніздрювато-дендритна структура. При малих значен­нях градієнта температур та великій швидкості кристалізації і С₀ у кристалів з'являються гілки другого порядку і вони перетворюються на дендрити. Дендрити сплавів мають субструктуру, що нагадує сотову. Зі зменшенням градієнта температур розміри дендритів і їхня розгалу­женість зростають.

Останні порції розплаву іноді виявляються настільки насиченими до­мішками (значні С₀), що в них зароджуються нові кристали, які, пере­шкоджаючи розвитку стовпчастих кристалів, утворять у центрі шва зону з рівноосною структурою.

Поліедрична структура утвориться при великих значеннях швидкості кристалізації і С₀ і дуже малому значенні градієнта температур. У цих умовах перед фронтом кристалізації можливе зародження центрів кристалізації, утворення кристалів, їхній розвиток і зустрічне зростання у напрямках зростаючих кристалітів рухомого фронту кристалізації.

На тип первинної структури впливають хімічний склад, спосіб і режим зварювання. У залежності від цих факторів розглянуті вище особливості кристалізації, термічні і концентраційні ефекти можуть бути різними. Так, наприклад, тип первинної мікроструктури в центральних зонах швів се-редньолегованої сталі залежить від хімічного складу і швидкості зварю­вання таким чином: при зміні швидкості зварювання від 5 до 50 м/г у швах низьколегованих сталей з 0,1-0,25% С первинна структура зміню­ється від сотової до ніздрювато-дендритної, а у швах середньолегованих сталей з 0,3% С і більше - від ніздрювато-дендритної до розвинутої рівноосної дендритної. Найбільшу технологічну і експлуатаційну міцність зварних з'єднань забезпечує дендритна рівноосна структура, наймен­шу - стовпчаста сотова первинна структура.

Первинну структуру зварного шва можна регулювати, використову­ючи металургійні і технологічні прийоми. Придушення стовпчастої струк тури з метою одержання рівноосних кристалів у швах здійснюється:

а) введенням елементів-модифікаторів 1-го роду {Ті, V, Nb, Zr і інш.);

б) введенням модифікаторів 2-го роду - поверхнево-активних домішок;

в) введенням елементів, що утворять надлишкові фази у твердих роз­ чинах ( -фаза, первинні карбіди й інш.); г) впливом на зварювальну ванну ультразвуковими коливаннями, механічними вібраціями чи електромагнітним перемішуванням металу ванни.

Тип первинної структури в значній мірі впливає на появу гарячих трі­щин. Опір матеріалу формуванню гарячих тріщин мінімальний при сото-вому і зростає в міру переходу до плоского і дендритного типу кристалізації.

Значний вплив на формування гарячих тріщин має схема кристалі­зації металу шва, яка залежить від термічних умов у ванні і технологічних факторів.

У процесі кристалізації форма міжфазної поверхні фронту криста­лізації може бути плоскою (лінійний процес кристалізації при стиковому зварюванні стержнів), циліндричною (плоский процес при зварюванні пластин в стик з повним проплавленням) і просторовою, (об'ємний про­цес при наплавленні чи зварюванні масивного виробу).

На рис. 2.32 подана схема кристалізації в площині пластин, що зварю­ються. У межах зварювальної ванни одночасно здійснюються два про­цеси: плавлення {NO_tN- фронт плавлення) і кристалізація {NMN- фронт кристалізації). Схема кристалізації характеризується формою осей кристалітів 1 і значенням кута 2а між дотичними 2 до осей. Напрямок росту кристаліта збігається з напрямком максимального тепловідводу, тобто з нормаллю до ізотерми 3 фронту кристалізації.

Рис. 2.32. Схема росту кристалітів у зварювальній ванні

При лінійному процесі кристалізації осі кристалітів спрямовані, перпендикулярно до плоского фронту кристалізації. Така макроструктура називається лінійною.

При плоскому процесі кристалізації осі кристалітів лежать у площині, перпендикулярній до циліндричної поверхні фронту кристалізації. Макроструктура цього типу називається плоскою.

При об'ємному процесі кристалізації осі кристалітів являють собою просторові криві. Така макроструктура називається об'ємною.

При великих швидкостях зварювання об'ємна макроструктура наближається до плоскої, а плоска - до лінійної.

Найменший опір гарячим тріщинам має лінійна схема кристалізації, а найкращий - об'ємна. Перехід від лінійної до об'ємної схеми кристалі­зації досягається зменшенням зазору, підсиленням тепловідводу з боку кореня шва, зменшенням сили струму і особливо швидкості зварювання до 10-15 м/г (використання зварювальних джерел живлення з високою здатністю до проплавлення).

При зварюванні у розплаві зварювальної ванни мають місце металур­гійні процеси взаємодії різних фаз - рідкого і твердого металу, газу і рідкого шлаку, що може привести до утворення nop, шлакових включень і інших дефектів. Розглядають дві зони, де відбуваються ці реакції: високотемпературну (передня частина ванни, що нагрівається) і низько­температурну (хвостова частина, що кристалізується). Утворення nop, шлакових включень в основному пов'язано з наявністю в розплаві ванни азоту, водню і кисню. Джерелом цих газів є навколишнє середовище (повітря), зварювальні матеріали (електродні покриття, флюси, захисні гази), а також адсорбована волога, забруднення на поверхні основного і присадкового металу. У високотемпературній зоні гази (азот, водень) дисоціюють на атоми (або іони), які поглинаються металом внаслідок високої здатності до розчинення, а в низькотемпературній зоні їхня здатність до розчинення різко падає і під час кристалізації вони частково залишаються в металі у вигляді nop.

Крім того, внаслідок окислювально-відновлювальних реакцій типу: [Мп] + (FeO) <=> (МпО) + [Fe]; утворюються оксиди, а реакцій типу:

[FeS] + [Мп] [Fe] + (MnS);

Р₂0₅ + ЗСаО <=> Са_г (Р0₄)₂,

Al + N = AIN,

відповідно сульфіди, нітриди у формі шлакових включень та неметале­вих включень, що містять фосфор.

На практиці знайшли застосування такі методи боротьби з порами та включеннями:

• зачистка окрайків основного і присадкового металу від іржі, окалини та інших забруднень, а також їх просушування або прокалювання перед зварюванням;

• металургійні засоби (підбір відповідних зварювальних матеріалів);

• технологічні заходи (зварювання короткою дугою,, зменшення швидкості зварювання, збільшення об'єму зварювальної ванни і співвідношення її ширини та глибини).