Влияние температурного поля источника теплоты на свойства сварного соединения
Под действием температурного поля источника теплоты в металле сварного соединения происходят физико-химические и термодеформационные процессы.
I. физико-химические процессы при сварке характеризуются фазовыми и структурными превращениями. Полнота и степень этих превращений зависит от параметров сварочного термического цикла и химического состава материала
1. К фазовым превращениям относятся :
а - полиморфные превращения (образование в зависимости от скорости охлаждения перлита, сорбита, троостита, бейнита и мартенсита) ( рис. 31);
б - растворение (при нагреве) и выделение (при охлаждении) новых фаз при изменении растворимости примесей.
2. К структурным превращениям относятся :
а - рост зерна в условиях сварочного термического цикла (рис. 32);
б - рекристаллизация (рост новых зерен в области низких температур).
Рис. 31С. Диаграмма анизотермического распада аустенита
А1 – температура начала распада аустенита; Мн – температура начала мартенситного превращения; Мк – температура окончания мартенситного превращения; W1; W2; W3; W4; W5; - скорости охлаждения аустенита; WК – критическая скорость охлаждения - минимальная скорость охлаждения, при которой из аустенита образуется мартенсит и остаточный аустенит (~ 5%).
Рост зерна в условиях сварочного термического цикла
Размер зерна зависит от химического состава стали, максимальной температуры нагрева Тмах и времени пребывания (t ирз) выше температуры интенсивного роста зерна (Тирз)
Рис. 32С. Размер зерна в зависимости от химического состава стали и времени пребывания выше температуры интенсивного роста зерна.
Максимальная температура нагрева Тмах = 1350 0С; t ирз дано в логарифмической шкале Тирз – температура интенсивного роста зерна.
Чем больше tирз, тем больше размер (площадь) зерна. Образование крупнозернистой структуры приводит к снижению пластичности металла и может стать причиной образования трещин в сварном шве, околошовной зоне и участке перегрева зоны термического влияния сварного соединения.
Влияние термического цикла сварки на структуру и свойства различных зон сварного соединения
В условиях сварки различные точки сварного соединения имеют различные сварочные термические циклы, отличающиеся по значениям максимальной температуры нагрева, времени пребывания в области высоких температур, скорости охлаждения. Следствием такого своеобразного термического воздействия является то, что в сварном соединении, в зависимости от химического состава свариваемого металла и режимов процесса сварки, можно получить слои металла, значительно отличающиеся друг от друга по фазовому составу, структурному состоянию, а следовательно и механическим свойствам.
Рис. 33. Схема строения зоны термического влияния сварного соединения при однослойной дуговой сварке низкоуглеродистой стали с содержанием углерода С=0,2%.Тпл – температура плавления; Тл – температура ликвидус; Тс – температура солидус; Ж – жидкость; А – аустенит; Ф – феррит; П – перлит; Ц – цементит; Ц2 – цементит вторичный; Ц3 – цементит третичный.
Зона наплавленного металла (сварной шов) – перемешанный в жидком состоянии с основным металлом материал электрода или присадочной проволоки (например: при сварке плавящимся электродом или при сварке неплавящимся электродом с присадкой соответственно) или только расплавленный основной металл ( например: при сварке неплавящимся электродом без присадки). Этот участок, кристаллизуясь, образует сварной шов. Сварной шов имеет литую структуру, состоящую из столбчатых кристаллов. Грубая столбчатая структура металла шва является неблагоприятной, так как снижает прочность и пластичность металла.
1. Участок неполного расплавления (околошовная зона ОШЗ) - переходный от наплавленного металла к основному. На этом участке происходит образование соединения и проходит граница сплавления, Он представляет собой очень узкую область (0,1—0,4 мм) основного металла, нагретого до частичного оплавления зерен. Здесь наблюдается значительный рост зерен, скопление примесей, поэтому этот участок обычно является наиболее слабым местом сварного соединения с пониженной прочностью и пластичностью. Температура участка в среднем составляет 1530- 1470 °С.
2. Участок перегрева — область сварного соединения, нагреваемая в среднем до температур 1470 — 1100 °С, в связи с чем металл отличается крупнозернистой структурой и пониженными механическими свойствами (пластичностью и ударной вязкостью). Эти свойства тем ниже, чем крупнее зерно и шире зона перегрева. Ширина участка 2 составляет примерно 0,2… 4 мм.
3. Участок нормализации — область сварного соединения, нагреваемая в среднем до 900... 1100 °С. Благодаря мелкозернистой структуре механические свойства металла на этом участке выше по сравнению с основным металлом. Ширина участка составляет примерно 0,2...4 мм.
4. Участок неполной перекристаллизации — область сварного соединения, нагреваемая в среднем до 700...900 °С. В связи с неполной перекристаллизацией, вызванной недостаточным временем и температурой нагрева, структура этого участка характеризуется смесью мелких перекристаллизовавшихся зерен и крупных зерен, которые не успели перекристаллизоваться. Металл этого участка имеет более низкие механические свойства, чем металл предыдущего участка. Ширина его составляет примерно 0,3…3 мм.
5. Участок рекристаллизации — область сварного соединения, нагреваемая до 500...700 °С. Если сталь перед сваркой испытала холодную деформацию (прокатку, ковку, штамповку), то на этом участке развиваются процессы рекристаллизации, приводящие к росту зерна, огрублению структуры и, как следствие, к разупрочнению. Ширина участка составляет примерно 0,3…5 мм.
6. Участок старения — область сварного соединения, нагреваемая до 300 — 500 °С. Этот участок является зоной перехода от зоны термического влияния к основному металлу. В этой зоне могут протекать процессы старения из-за выпадения карбидов железа и нитридов, в связи с чем механические свойства металла этой зоны понижаются. Ширина участка составляет примерно 0,4…6 мм
Участки 1,2,3,4,5,6 – составляют зону термического влияния (ЗТВ)
7. Основной металл, который не претерпевал заметных изменений в процессе сварки.
Ширина зоны термического влияния зависит от вида, способа и режимов сварки. Чем меньше тепловое воздействие на металл источника теплоты, тем уже зона термического влияния. При электрошлаковой сварке ЗТВ составляет обычно 25 мм и более; при газовой сварке — 15-20 мм; ручной дуговой сварке 3 — 6 мм, при сварке под флюсом средних толщин — около 10 мм; при сварке в защитных газах - 1 – 3 мм; при лазерной и электронно-лучевой – десятые доли миллиметра. Как правило, чем выше скорость нагрева и охлаждения свариваемого изделия, тем меньше размеры зоны термического влияния.