16 Кристаллизация металла шва. Особенности структуры шва.
Процесс образования шва при сварке плавлением можно разбить на четыре этапа:
- расплавление основного металла;
- смешение наплавляемого электродного металла с расплавленным основным — образование металла шва;
- кристаллизация жидкого металла шва (первичная кристаллизация);
- кристаллизация в твердом металле шва при его остывании (вторичная кристаллизация) —только в сплавах с аллотропическими превращениями (железных, титановых).
Характер первичной кристаллизации и получающейся при этом структуры зависит от химического состава металла шва, от скорости охлаждения при температурах распада аустенита и от условий кристаллизации.
Условия кристаллизации свободно формирующегося шва характеризует коэффициент формы проплавления (провара) — отношение ширины шва к глубине проплавления (глубине провара) основного металла НПР
Условия кристаллизации вертикального шва, формируемого принудительно, характеризует коэффициент формы ванны — отношение ширины шва к глубине металлической ванны
17 Особенности структуры шва
Рассмотрим особенности кристаллизации свободно формирующегося шва. Кристаллизация начинается от оплавленных зерен основного металла — «центров кристаллизации». Кристаллиты растут в направлении, противоположном отводу теплоты, перпендикулярно к границе раздела жидкого —твердого металла шва. Так как эта граница имеет сложную поверхность и перемещается со скоростью сварки, кристаллиты получают сложную изогнутую форму. Скорость роста кристаллитов переменна: снижается до нуля и снова возрастает. Среднее ее значение по мере приближения к центру шва непрерывно возрастает, в центре шва она близка к скорости сварки. В сварном шве, так же как и в слитках, при кристаллизации развивается ликвация — неравномерность в распределении элементов сплава в шве, обусловленная большей растворимостью элемента в жидкости, чем в твердой фазе. Следует отметить, что из-за больших скоростей кристаллизации в сварном шве по сравнению со слитками ликвация ослаблена.
Сильнее всего ликвируют вредные для сварных швов вещества: сера, фосфор, углерод. Отношение их растворимости (разновесной концентрации) в твердой фазе к растворимости в жидкой (коэффициенты лыкйацыы) соответственно равны 0,05; 0,07; 0,13. Остальные легирующие элементы в технических сплавах практически не ликвируют.
Чем больше погонная энергия, тем обычно крупнее кристаллиты и тем сильнее развита межкристаллитная и зональная ликвация, тем больше склонность металла шва к образованию горячих трещин (возникающих при его затвердевании) и ниже ударная вязкость металла шва.
Особенность кристаллизации металла вертикального шва при принудительном его формировании ползунами, подкладками (сварка в защитном газе, электрошлаковая сварка) состоит в том, что кристаллиты растут от оплавленных кромок и от границы с ползунами, а над местом их стыка, в зоне возможного образования зональной ликвации, непрерывно существует ванна расплавленного металла. При достаточно большом коэффициенте формы ванны (правильно подобранный режим сварки) образования зональной ликвации не происходит, и стойкость шва против горячих трещин существенно повышается.
Если свариваются тонкие листы (20—40 мм), то в шве преобладают мелкие кристаллиты, растущие от ползунов, и ударная вязкость шва оказывается высокой, несмотря на значительную погонную энергию.
В ряде случаев осуществляется модифицирование металла шва с целью измельчения первичной структуры. Оно достигается путем создания препятствий для свободной кристаллизации. Препятствиями могут служить кристаллики более тугоплавкой фазы, выделяющейся из расплава перед фронтом растущих кристаллитов.
Естественно, что в однофазных швах (чисто аустенитные, ферритные стали, медные, алюминиевые сплавы и т. п.) вторичной кристаллизации не наблюдается.