Ф

коіщентраційним переохолодженням.

Гін і 12. Формування кристалітів зварного шва іііі оплавлених зернах пришовної зони: 1-метал шва; 2-лінія сплавлення; 3-зона термічного впливу; 4-основний метал.

ронт кристалізації може бути плоским (лінійний процес кристалізації при стиковому зварюванні стержнів), циліндричним (плоский процес при зварюванні пластин встик з повним проплавленням) і просторовим (об'ємний процес при наплавленні на товстий шар).

Рис. 113. Схема зварювальної ванни при плоскому фронті кристалізації.

і

На рис. 113 показана схема зварювальної ванни при плоскому процесі кристалізації. Зварювальна ванна і пов'язана з нею ізотерма кристалізації переміщуються вздовж осі шва зі швидкістю зварювання. Прямування росту кристалів співпадає з нормаллю до ізотерми кристалізації. Отже, вісь кристаліту, що визначає форму і спрямованість його меж, являється ортогональною траєкторією сімейства ізотерм плавлення. Під схемою кристалізації розуміють форму осей кристалітів і величину кута в між дотичними прямими до них. При об'ємному процесі кристалізації осі росту кристалів представляють просторові криві, що обумовлено зміною форми зварювальної ванни у площинах, паралельних площині зварюваного листа, і переміщуванням теплового поля в напрямку зварювання (рис. 114).

Малий об'єм зварювальної ванни і велика кривина оплавленої поверхні - причини того, що стовпчасті кристали в зварному шві більш дезорієнтовані, ніж кристали в злитках (кути дезорієнтації 5-20°).

Рис. 114. Схема росту кристалів в просторі зварювальної ванни.

Характер кристалічної будови зварного шва в Перерізі, перпендикулярному його осі, може відрізнятися після зварювання в різних умовах (рис. 115). При порівняно невеликому існуванні розплаву зварювальної ванни (малий об'єм ванни, підвищена швидкість зварювання) стовпчасті кристали можуть проростати з обох сторін до зустрічі в центрі шва (рис. 115 а). При більшій ванні і повільній кристалізації в центральній частині шва утворюється зона рівноосних кристалів (рис. 115 б). При зварюванні на охолодженій металічній підкладці (рис. 115 в) спочатку кристалізується тонкий шар дрібних дезорієнтованих кристалів, які стають зародками росту стовпчастих кристалів. При багатошаровому зварюванні (рис. 115 г) кристали кожного попереднього шару являються підкладкою кристалізації наступних шарів. При цьому швидкість охолодження кожного із шарів, як правило, більша швидкості охолодження ванни при одношаровому зварюванні. Слід також додати, що після багатошарового зварювання кристалічна будова кожного шару і шва в цілому подрібнюється і стає більш щільною, з меншим проявленням ліквацїї і домішок по зонах.

І’ис. 115. Кристалічна будова зварних швів: а) і б) при однопрохідному зварюванні з різними швидкостями охолодження після зварювання; в) при зварюванні на охолоджуемій технологічній підкладці; г) при багатопрохідному зварюванні.

3. Ліквація в зварних швах і фізична неоднорідність металу шва

При затвердінні зварні шви стають хімічно неоднорідними, тобто в них має місце ліквація, яка обумовлена сегрегаціями домішок і легуючих елементів. Ліквація значною мірою визначає властивості зварних з'єднань. Навіть, якщо в твердому стані відбуваються структурні перетворення, то ліквація не зникає і може бути виявлена на макро- і мікрошліфах.

Хімічна неоднорідність сприяє структурній неоднорідності й помітно знижує експлуатаційні характеристики зварних з'єднань, підвищуючи їх схильність до утворення тріщин. Це явище потребує вивчення причин виникнення хімічної неоднорідності й пошуку способів регулювання і зменшення їх шкідливих проявів при розробці нових технологій зварювання.

За М. X. Шоршоровим сегрегацію домішок, що виникає при затвердінні, можна розділити на декілька видів:

1. Макроскопічна або нормальна сегрегація - характеризується збільшенням концентрації домішок в напрямку затвердіння. Інша її назва — зональна ліквація. Домішки (Р, З, С, Зі) зосереджуються в середині шва, де утворюється зона слабкості. Необхідно підбирати коефіцієнт форми, щоб домішки виходили на поверхню: у>2; \|/=В/Н, де В і Н - відповідно ширина і глибина зварювальної ванни.

Нормальна сегрегація проявляється не тільки в об'ємі усього металу шва, але і в кожному окремому кристалі. Частина кристала, яка утворюється в першу чергу, вміщує менше домішок, ніж та частка, що затвердіває пізніше.

2. Міжзеренна сегрегація (ліквація) - це скупчення домішок поблизу меж зерен. Таке явище пояснюється утворенням канавок рідкого металу у місці виходу до фронту кристалізації зерен, що ростуть бік о бік. В канавках зосереджуються домішки, які знижують температуру кристалізації, а потім утворюють крихкі фази і легкоплавкі евтектики. Прошарки легкоплавких евтектик сприяють збереженню неоднорідності і знижують стійкість металу швів до утворення гарячих тріщин.

3. Дендритна сегрегація (ліквація)- це неоднорідність всередині кожного кристала (дендрита), яка виникає в нерівноважних умовах затвердіння зварного шва. Вивчення цього явища при застосуванні радіоактивних ізотопів показує, що сегрегація домішок в

4. міжосних ділянках дендритів приблизно рівняється сегрегації по межах кристалітів. Ступінь розвитку дендритної ліквації визнача- еться складом сплавів в умовах затвердіння. Залежність внутрі- пшьокристалічної неоднорідності від швидкості охолодження (\У„х) зображується кривою з максимумом (рис. 116). При невеликих швидкостях охолодження збільшення інтенсивності охолодження до

п

Рис 116. Вплив швидкості охолодження на ступінь проявлення дендритної ліквації.

евної границі приводить до підсилення внутрі- шиьокристалічної сегрегації у відповідності з дифузійним механізмом кристалізації. Подальше збільшення швидкості охолодження приводить до зменшення внутрішньо- кристалічної сегрегації внаслідок того, що дифузійний механізм кристалізації замінюється бездифузійним. Однак, в діапазоні швидкостей кристалізації при зварюванні (від 10 до 100°С/с) безди- фузійний механізм кристалізації не здійснюється. На діаграмі двокомпонентної системи (рис. 117) показано, як впливає швидкість охолодження на положення точки граничної розчинності компонента В в А. Збільшення швидкості охолодження від 0 до V/,; \У₂ приводить до зміщення точки граничної розчинності від рівноважної (а) вбік менших концентрацій другого компонента (а\, сь). Цей ефект мас місце до тих пір, поки переважає дифузійний механізм кристалізації. Чим більша швидкість охолодження, тим більша ліквація і тим менша гранична розчинність. У даному випадку найбільший ступінь ліквації проявиться при швидкості \У₂ ; при цьому буде найменша гранична розчинність.

Збільшення швидкості охолодження до \¥₃ призводить до то- то, що настає процес бездифузійної кристалізації, і точка граничної розчинності п₃ зміщується вбік рівноважного положення. Збільшення швидкості охолодження приводить до зниження температури евтектичної кристалізації:

То > Т| > Т₂ > Т₃.

П

тшшт

і*

Рис. 117. Вплив швидкості охолодження на зміщення температури солідусу Т_с і границі розчинності другого компонента при кристалізації евтектичної складової в нерівноважних умовах.

і

ід час зварювання внаслідок інтенсивного охолодження внутрішньокристалічна сегрегація менш розвинута, ніж в литих заготівках, але завдяки цьому на макро- і мікро- шліфах зварних швів можна виявити первинну дендритну структуру-

5. Зворотна сегрегація (ліквація) - вид макроскопічної сегрегації зварних швів.

Вона проявляється на останніх стадіях затвердіння, коли збагачена домішками рідка фаза прямує у міжосні проміжки, де в результаті затвердіння виникла усадка.

Описані вище види хімічної неоднорідності зварних швів неможна вважати вичерпаними. Так, в мікрооб'ємах зварних швів можна виявити розподілення домішок шарами, які розташовані еквідістантно поверхні оплавлення. Це так звана шаруватість зварного шва (К.В.Багрянський).

Шаруватість виявляється більш чітко по всьому перерізу шва при малих об'ємах зварювальної ванни; при достатньо великих об'ємах це явище має місце, головним чином, поблизу меж сплавлення. В середній частині таких швів шаруватість проявляється мало або не спостерігається зовсім. За допомогою радіоактивних ізотопів встановлено, що кожний шар має три характерних ділянки (рис. 118):

• нижня ділянка (1) - з найвищим вмістом ліквіруючих домішок;

• середня ділянка (2) - з кількістю ліквіруючих домішок, яка відповідає середньому вмісту їх у шві;

• верхня ділянка (3) - з пониженим вмістом домішок.

Шарувата неоднорідність хімічного складу швів пояснюється нерівномірною подачею теплоти в зварювальну ванну, і, отже, нерівномірністю проходження процесів дифузії й кристалізації. Розглянемо перерозпо- ділення домішок при кристалізації першого шару, який безпосередньо стикається з кромками основного металу. Ділянка 1 під час кристалізації збагачується домішками, котрі переходять до неї із основного металу. Ділянка 2 кристалізується із рідини вихідного складу металу шва і відносно однорідна. Із ділянки З, яка знаходиться певний період часу поблизу фронту кристалізації, домішки прямують в рідку фазу, збіднюючи фронт твердої фази. І Іослідовні шари формуються аналогічно.