5.5. Строение сварного шва

Сварка металлов плавлением представляет собой более сложный металлургический процесс по сравнению с металлургическим процессом, происходящим при получении металлических отливок.

Характерными особенностями сварки сталей являются следующие:

1. Высокая температура нагрева металла. При дуговой сварке температура сварочной ванны достигает ~ 2500⁰С, вместо 1700⁰С в печи;

2. Малый объем расплавленного металла в сварочной ванне. При ручной дуговой сварке он редко достигает 2 см³.

3. Кратковременность процесса. Время от начала расплавления до застывания сварочной ванны составляет несколько секунд ( ).

Высокая температура в зоне дуги приводит к быстрому плавлению электродного материала, флюса и основного металла. Молекулы азота, кислорода, водорода частично распадаются на атомы и очень активно взаимодействуют с расплавленным металлом, в результате чего свойства шва понижаются. Высокая температура приводит также к выгоранию, испарению и разбрызгиванию металла и других веществ.

Малый объем расплавленного металла в сварочной ванне и относительно холодный основной металл вызывают интенсивный отвод тепла, в результате чего химические реакции между расплавленным металлом и шлаком полностью завершаются, не создается равновесие.

Быстрое затвердевание и кристаллизация металла шва отражаются на структуре и механических свойствах шва.

Рассмотрим структуру сварного шва малоуглеродистой стали после кристаллизации (рис. 5.6).

Рис. 5.7. Схема строения шва.

А – зона наплавленного металла, Б – зона сплавления,

В – зона термического влияния, Г – зона основного металла.

Структура сварного шва состоит из четырех зон (рис. 5.7):

Зона наплавленного металла (зона А) представляет собой перемешанный в жидком состоянии с основным металлом материал электрода или присадочной проволоки. Соотношение между основным и электродным металлом в шве зависит от скорости плавления электрода, глубины ванны, объема наплавленного металла и ряда других факторов.

Зона сплавления (зона Б) – это слой основного металла толщиной 0,1-0,4мм, с частично оплавленными зёрнами. Перегрев металла в этой зоне приводит к образованию игольчатой структуры, отличающейся хрупкостью и пониженной прочностью и оказывает значительное влияние на свойства соединения в целом.

Зона термического влияния (зона В) состоит из четырех участков, различающихся структурой:

1 – Участок перегрева – область основного металла, нагретого до 1100-1450⁰С и имеющего крупнозернистую структуру. Перегрев снижает механические свойства металла (пластичность и вязкость). Разрушение сварочного соединения обычно происходит по этому участку, ширина которого достигает 3-4 мм.

2 – Участок нормализации – область основного металла нагретого до 900-1000⁰С. Благодаря мелкозернистой структуре механические свойства металла на этом участке выше по сравнению с основным металлом. Ширина участка составляет 1-4 мм.

3– Участок неполной перекристаллизации – область основного металла, нагретого до 725-900⁰С., состоит из мелких и крупных зёрен. Неравномерное строение приводит к снижению механических свойств.

4- Участок рекристализации – область основного металла нагретого до 450-725⁰С. При этих температурах происходит восстановление формы зёрен, деформированных в результате предыдущего механического воздействия. Ширина зоны составляет 5-7 мм.

Величина зоны термического влияния зависит от способа и технологии сварки и свойств свариваемого металла, так, при ручной дуговой сварке от 2 до 10 мм, при газовой 20-25 мм.

Зона основного металла (зона Г) условно начинается от границы с температурой 450⁰С. Структура при температурах ниже 450⁰С не отличается от структуры основного металла, однако сталь, нагретая до Т= 200-400⁰С, обладает худшими механическими свойствами, что объясняется выпадением по границам зёрен оксидов и нитридов, ослабляющих связь между зёрнами. Это явление, вызывающее понижение пластичности и ударной вязкости при одновременном повышении прочности металла, называется синеломкостью.

Места разрушения сварных соединений.

Прочность металла шва, зоны термического влияния и основного металла различны. Поэтому сварное соединение следует рассматривать как неоднородное тело.

Разрушения могут происходить по всем трем зонам в зависимости от того, какая зона имеет меньшую прочность.

В настоящее время равнопрочность сварных соединений и основного металла обеспечивается электродами с качественными покрытиями и другими сварочными материалами.

Прочность сварных соединений зависит от прочности металла шва, ширины перегретого металла в зоне термического участка, совместной ширины металла шва и ширины перегретого металла, характера приложение внешней нагрузки, температуры эксплуатации изделия и других факторов.