7. Термический цикл сварки, понятие. Основные параметры цикла и их влияние на свойства сварного соединения.

Термический цикл сварки. Если установить в заданных точках сваривае­мых пластин термопары, фиксирующие изменение температуры металла во времени при перемещении сварочной дуги вдоль стыка, то будут получены кривые, представленные на рис. 17, б. Эти кривые — термические циклы сварки. Под термическим цик­лом сварки понимают изменение температуры в данной точке тела во время сварки. Термический цикл сварки, нагревая и охлаждая основной металл и металл шва, фактически подвергает его вынуж­денной термической обработке. Результаты такой обработки носят в разной степени негативный, а иногда и недопустимый характер. Поэтому термическому циклу сварки придают должное внимание, особенно при сварке сложных металлов и сплавов.

Основными параметрами, определяющими форму термичес­кого цикла и его воздействие на металл являются: скорость на­грева, максимальная температура нагрева Т_тах, длительность пре­бывания металла выше заданной температуры £ , скорость охлаж­дения. Эти параметры зависят от способа, технологии и режимов сварки, теплофизических свойств свариваемого металла, конфигурации соединения, условий охлаждения и температуры металла перед сваркой.

Скорость нагрева металла при ручной дуговой сварке колеб­лется в пределах 100-400^вС/с, что является сравнительно неболь­шой величиной (при электронно-лучевой сварке скорость нагрева превышает 1000°С/с). Она не оказывает заметного влияния на конечные свойства сварива­емого металла, поскольку по­давляется последующим воз­действием других параметров термического цикла.

Максимальная температу­ра нагрева металла — весьма важный параметр цикла, по­скольку он напрямую связан со структурными и фазовыми пре­вращениями, проходящими в металле при сварке. Самые высокие температуры имеют расплавленный металл шва и прилегающие к нему участки основного металла. По мере удаления от шва максимальные температуры нагрева снижают­ся. Понятно, что характеристика металла, нагре­ваемого при сварке до темпера­туры, выше или близкой к тем­пературе его плавления, будет существенно отличаться от характеристики металла, нагреваемого до температуры, лишь немного превышающей его начальную температуру. Нa глубину проходящих при сварке струк­турно-фазовых процессов совместно с максимальной температурой нагрева оказывает влияние также длительность пребывания метал­ла в зоне определенных температур. Продолжительное пребывание металла, особенно при высоких температурах, способно в несколь­ко раз снизить его пластические и другие характеристики вследст­вие интенсивного роста зерна и изменения фазового состава.

Длительность пребывания металла выше заданной темпера­туры — это время, в течение которого металл в процессе сварки находится в определенном интервале температур — от некоторой заданной температуры Т до максимальной температуры Т_max.

Скорость охлаждения металла в термическом цикле сварки играет исключительно важную роль в формировании конечной структуры металла шва и зоны термического влияния и, как следствие, свойств всего сварного соединения. Из практики обычной термической обработки известно, что путем регулирова­ния скорости охлаждения нагретого до различных температур металла можно коренным образом изменять его структуру и ме­ханические свойства. В частности, при быстром охлаждении в во­де или масле получают металл с закаленной структурой, имею­щей высокую прочность и низкую пластичность, при медленном охлаждении — металл с отожженной структурой и пониженными прочностными свойствами. Родственные процессы с подобными результатами имеют место и при сварке. Так, высокие скорости охлаждения при сварке ряда марок сталей способны приводить к появлению в ЗТВ закалочных структур, существенному сниже­нию вязкости металла и даже к образованию холодных трещин. Чрезмерно низкие — к перегреву металла и общему понижению эксплуатационных характеристик. Поэтому скоростью охлажде­ния металла при сварке нужно и можно управлять.

Поскольку у большинства конструкционных сталей фазовые превращения при остывании в процессе сварки происходят в ин­тервале температур 800-500°С, для оценки скорости охлаждения металла в термическом цикле сварки часто используют время охлаждения t_8/5 в диапазоне температур 800-500°С

Эффективная погонная энергия q/V_C]i — это количество теп­лоты, вводимое при сварке плавлением в единицу длины одно­проходного шва или валика*. Она измеряется в Дж/см. При дуговой сварке:

q/V_св=ŋI_свU_д/V_св

Металл, как и термический цикл сварки, реагирует не на от­дельные параметры сварочного процесса (силу сварочного тока, напряжение дуги и скорость сварки), а на количество теплоты, которое в него вводится сварочной дугой в результате одновре­менного действия в различных комбинациях всех указанных па­раметров.

Из изложенного следует, что термическим циклом сварки, оказывающим определяющее влияние на структуру и свойства металла зоны термического влияния, а следовательно и сварного соединения в целом, при ручной дуговой сварке можно эффек­тивно управлять следующими параметрами процесса: силой сва­рочного тока I_св, напряжением дуги U_д , скоростью сварки V_cв, на­чальной температурой.