Металловедение сварки

Еще одна особенность кристаллизации сплавов - влияние градиента кон­ центрации растворенного элемента в слое переохлажденного расплава, контак­ тирующего с твердой фазой, на температуру плавления.

При кристаллизации сплавов происходит диффузионное перераспределе­ ние примеси между твердой и жидкой фазами в соответствии с константой распределения К = Ств/С0.

Переохлаждение, связанное с перераспределением примеси, называют концентрационным переохлаждением.

Оно обусловлено диффузионным перераспределением примесей у фронта кристаллизации (ФК) и скоплением их со стороны жидкой фазы вследствие большей растворимости в жидкой фазе, чем в твердой (рис. 2.8).

Рис. 2.8. Концентрационное уплотнение в

жидкой фазе (§х) вблизи фронта кристал­

лизации вследствие большей растворимо­

сти в ней компонента Б

В результате в зоне концентрационного уплотнения Ьх имеет место по­ нижение температуры ликвидуса Гпл (рис. 2.9).

Рис. 2.9. Концентрационное переохлажде­ ние (АТ) жидкой фазы вблизи фронта кри­ сталлизации вследствие снижения темпе­ ратуры ликвидуса, вызванного концен­ трационным уплотнением (1-твердая

фаза, II - расплав)

Протяженность 8Х зависит от интенсивности диффузионного отвода

примеси от ФК в жидкость (Дж) и скорости кристаллизации VKp

Таким образом, в случае сварки концентрационное переохлаждение ме­ талла шва определяется режимом сварки (градиентом температур и скоростью кристаллизации, зависящей от скоростц сварки), условиями теплоотвода из сварочной ванны, составом сплава и его теплофизическими свойствами.

2.4. Первичная структура металла шва при направленной

кристаллизации

Тип первичной микроструктуры металла шва зависит от формы расту­ щих кристаллов, определяемой видом фронта кристаллизации (ФК) и характе­ ром концентрационного переохлаждения перед этим фронтом.

Рассмотрим три возможных случая кристаллизации сплава при различ­ ной протяженности зоны концентрационного переохлаждения в\, в2 и в3, вы­ званной различными распределениями температуры в жидкой фазе - 7ф1, 7ф2 ,

7ф3, с различными критериями концентрационного переохлаждения Ф\ , Ф2 и

Ф3 (рис. 2.10).

Эта структура состоит из ряда параллельных элементов, имеющих форму стержней и ориентированных в направлении кристаллизации. В поперечном сечении стержни имеют форму шестиугольников (рис. 2.11, а ). При средней протяженности зоны концентрационного переохлаждения в2, когда Ф2 « АСо/к,

образуется ячеисто-дендритная первичная структура (рис. 2.11, б ).

Отдельная ячейка, оказавшись впереди своих соседей, начинает расти быстрее и развиваться. Постепенно выступ превращается в иглу, на игле обра-

зуются ветви, которые, в свою очередь, служат основой для следующих ветвей. Формируется ветвистая дендритная структура.

Если протяженность зоны концентрационного переохлаждения в3 доста­ точно велика (при небольшом градиенте Т в жидкости) и переохлаждение больше некоторой критической величины, при которой еще происходит обра­ зование ячеистой структуры, то на всех ячейках начинают формироваться ветви и они превращаются в дендриты. Условие образования дендритной структуры:

Фз<АС0/ к (рис. 2.11, в).

Рис. 2.11. Схема первичной микро­

структуры металла сварного соединения,

кристаллизующегося с различными

температурными градиентами и зонами

концентрационного переохлаждения

(в[ < вг < в3 ) в жидкой фазе вблизи фронта кристаллизации: а - ячеистая (ei); б - ячеисто-дендритная (вг); в -

дендритная (в3)

Образование такой структуры связано с тем, что растущая ось дендрита отталкивает атомы примеси так же, как и плоский фронт кристаллизации. Скопление примесей и концентрационное переохлаждение приводят к образо­ ванию ячеек на ветвях дендритов. С увеличением переохлаждения размеры дендритов и их разветвленность возрастают.

Таким образом, вероятность образования дендритной структуры повы­ шается с уменьшением grad 7ф , увеличением скорости кристаллизации VKp

(т.е. скорости сварки) и содержанием примеси Со .

При большой протяженности в и малом grad 7ф (что соответствует по­ следнему случаю) перед фронтом кристаллизации в зоне максимального пере­ охлаждения возможно самостоятельное зарождение центров кристаллизации, образование кристаллов, их рост навстречу растущим дендритам движущегося фронта кристаллизации. В результате образуется полиэдрическая структура.

Обобщенная зависимость типа структуры от содержания примеси С и значения критерия концентрационного переохлаждения Ф представлены на рис. 2.12.

При кристаллизации металла с малым содержанием примесей в случае больших Ф в шве образуется ячеистая структура.

При сварке сплавов в зоне сплавления структура также ячеистая, а в цен­ тре возможно образование дендритной структуры.

На тип первичной структуры оказывает влияние способ и режим сварки, так как в зависимости от химического состава стали и технологии сварки осо­ бенности кристаллизации (рассматривали выше) могут быть разными.

Рис. 2.12. Зависимость типа первичной струк­ туры металла сварного соединения от содержа­ ния примесей (Q и критерия концентрацион­ ного переохлаждения (Ф = grad 7ф/ VKp)

Тип первичной структуры в центральных зонах швов сварного соедине­ ния стали зависит от состава и скорости сварки (Ф « 1 / VCB).

При изменении VCBот 1,4 до 14 мм/с первичная структура низколегиро­ ванных сталей с 0,1- 0,25% С изменяется от неустойчивой ячеистой до ячеи­ сто-дендритной, а при сварке среднелегированных сталей с 0,3 % С и более - от ячеисто-дендритной до развитой равноосной дендритной.

Первичную микроструктуру сварного шва можно изменять, используя различные металлургические и технологические приёмы.

2.5. Регулирование первичной структуры шва (способы подавления столбчатой структуры и измельчения зерна)

2.5.1. Измельчение зерен основного металла

Рост кристаллов на базе частично оплавленных зерен основного металла энергетически выгоднее, чем зарождение новых кристаллов в объеме жидкой фазы. Высокие градиенты температуры на границе ванны обусловливают тер­ мическое переохлаждение расплава только в очень узкой приграничной зоне, что также затрудняет образование новых центров кристаллизации вдали от межфазной границы.

Существует прямая связь между структурой основного металла и металла шва. Еще в 50-е годы было установлено, что чем мельче зерно основного ме­ талла, тем мельче структура металла шва. Был предложен метод получения мелкозернистой структуры металла шва путем наклепа свариваемых кромок.

Этот прием применялся также и как средство борьбы с горячими трещинами при многослойной ручной дуговой сварке узлов большой толщины. По нашему мнению, наиболее эффективен этот прием при условии неглубокого проплав­ ления свариваемых кромок и предыдущих валиков (при многослойной сварке). В наклепанной зоне при сварке протекает процесс рекристаллизации, в ре­ зультате чего на границе сварочной ванны образуется очень мелкое зерно, из­ мельчается структура металла шва. При этом повышается и стойкость сварного соединения к образованию горячих трещин. Но при сварке под флюсом или га­ зоэлектрической сварке плавящимся электродом, когда применяются высокие плотности тока, глубина проплавления основного металла резко возрастает, на­ клепанная зона расплавляется и эффект наклепа кромок исчезает. Измельчение зерен основного металла иногда можно обеспечить и термической обработкой (отжиг, нормализация).

2.5.2. Модифицирование сварочной ванны

Эффективным средством улучшения механических свойств сварных со­ единений за счет измельчения первичной структуры шва является введение в

жидкую сварочную ванну элементов-модификаторов. Действие модификаторов с точки зрения теории кристаллизации объясняется уменьшением работы обра­ зования зародышей новой фазы и, как следствие, увеличением скорости обра­ зования новых центров кристаллизации.

Модификаторы обычно делят на две группы: модификаторы I рода - ту­ гоплавкие взвеси, служащие в качестве подложки для роста кристаллитов: Ti, V, Nb, Zr; модификаторы II - рода поверхностно-активные вещества, как пра­ вило, легкоплавкие, понижающие межфазное поверхностное натяжение и уменьшающие работу образования центров кристаллизации.

Чаще всего модифицирование сварных швов осуществляется модифика­ торами I рода. Применение модификаторов II рода при сварке мало исследова­ но, как правило, они образуют легкоплавкие эвтектики и могут отрицательно влиять на стойкость сварных соединений к образованию горячих трещин.

В зависимости от точки ввода модификатора в сварочную ванну изменя­ ется и время его пребывания в высокотемпературной зоне, а следовательно, и эффективность его воздействия на процесс кристаллизации. Введение модифи­ каторов в сварочную ванну может осуществляться через электродную проволо­ ку, флюс, при помощи лигатуры, закладываемой в стык между деталями в виде полоски, или через хвостовую часть ванны.

Используется также и обработка сварочной ванны комплексными моди­ фикаторами. Для снижения температуры расплава в зоне кристаллизации в хвостовую часть ванны вводится порошок, состоящий из частиц модификатора (3 -5% по весу) и порошка, по составу близкого к основному металлу. При этом химический состав шва практически остается неизменным, но структура шва резко измельчается. Пластичность сварных соединений и их технологиче­ ская прочность при этом значительно увеличиваются.

Несмотря на эффективность измельчения первичной структуры шва, вве­ дение модификаторов в сварочную ванну во многих случаях , особенно при сварке тонкого металла, имеет определенные технологические трудности.

2.5.3. Введение в сварочную ванну механических или тепловых

периодических возмущений

Впервые идея применения вибрации расплава как средства для улучше­ ния качества кристаллизующего металла была высказана Д.К.Черновым. Впо­ следствии этот способ нашел применение и в сварочном производстве.

В настоящее время известно большое количество различных методов, по­ зволяющих вносить периодические возмущения в сварочную ванну. Все эти методы можно классифицировать по нескольким признакам. По характеру внешнего воздействия на сварочную ванну возмущения можно разделить на механические и тепловые; по способу ввода в ванну - на контактные и бескон­ тактные; по диапазону частот возмущений - на низко- и высокочастотные.

2.5.4. Механические возмущения расплава сварочной ванны

Известно положительное действие ультразвука и вибраций низкой часто­ ты на измельчение первичной структуры. Однако способы ввода механических колебаний в сварочную ванну (путем погружения излучателя в сварочную ван­ ну; через охлажденную скользящую подкладку; через ползун при электрошлаковой сварке; через присадочную проволоку) характеризуются непосредствен­ ным контактом расплава с элементом, передающим колебания от генератора колебаний. При этом большая часть энергии колебаний гасится в излучателе и в самом изделии. К тому же малый объем сварочной ванны, высокие температура и температурный градиент в ванне усложняют проблему введения колебаний в расплав, это снижает технологичность процесса и эффективность вибрацион­ ной обработки ванны. В связи с этим контактные способы ввода ультразвука и низкочастотной вибрации не нашли широкого практического применения при сварке металлов.

Более перспективными являются бесконтактные методы передачи коле­ баний в сварочную ванну. Они позволяют генерировать колебания непосредст­ венно в жидком металле без механической связи генератора колебаний и рас­ плава.

Одним из таких методов является низкочастотная электромагнитная об­ работка расплава, или, по-другому, электромагнитное перемешивание (ЭМП). В результате наложения импульсного продольного магнитного поля происхо­ дит встряхивание жидкого металла и измельчение структуры. Наибольший эф­ фект измельчения наблюдается при реверсировании электромагнитных сил в расплаве. Это объясняется тем, что при реверсировании электромагнитных сил создается реверсное знакопеременное движение расплава в ванне и, как следст­ вие, возникает колебание температуры на фронте кристаллизации. Электромаг­ нитная обработка сварочной ванны обеспечивает повышение стойкости свар­ ных соединений к образованию горячих трещин, уменьшение пористости в швах и улучшение пластических свойств соединений. Следует отметить, что применение этого метода при сварке конструкций сложной конфигурации ог­ раничено большими габаритами оборудования.

Периодическое встряхивание жидкого металла можно вызвать наложени­ ем на дугу мощных кратковременных импульсов тока, при этом частота встря­ хивания равна частоте импульсов. Весьма эффективно наложение импульсов тока частотой 12,5 Гц.

Положительное влияние магнитного поля на структуру и свойства метал­ ла шва отмечается при сварке многих сталей и сплавов. Так, при сварке сталей 25ХГСА, ЗОХГСА, ВП25 и КВК32 аргонодуговой сваркой без магнитного поля кристаллизация сварного шва идет с образованием ярко выраженной столбча­ той дендритной структуры, зона которой достигает почти центра шва. Дендриты, образующиеся при этом, вытянуты в длину, границы между ними почти прямые. В центре шва формируется небольшая зона равноосных кристаллитов. При импульсной сварке структура мельче, междендритные прослойки уже и центральная зона равноосных кристаллитов заметно шире. При сварке в маг­ нитном поле напряженностью 300 эрстед наблюдается подавление дендритной кристаллизации. Процесс кристаллизации протекает с образованием разориентированной и равномерной структуры по всему сечению шва, межкристаллитные прослойки тоньше и границы сильно развиты. Такой характер кристалли­ зации приводит к повышению пластичности сварных соединений.

2.5.5. Тепловые возмущения расплава сварочной ванны

Способы, позволяющие вводить тепловые возмущения в сварочную ван­ ну, можно разделить на колебания источника тепла в пространстве и изменения тепловой мощности источника во времени.

Некоторое улучшение первичной структуры и механических свойств ме­ талла шва при поперечных перемещениях дуги при ручной сварке известно давно. В процессе колебаний источника нагрева в пространстве происходит пе­ риодическое колебание температуры и температурного градиента в зоне кри­ сталлизации за счет периодического изменения координаты точки ввода тепла в сварочную ванну. Поперечное перемещение дуги позволило значительно осла­ бить столбчатую текстуру и дендритную неоднородность, повысить пластич­ ность металла шва, уменьшить вероятность образования горячих трещин.

С такой же целью рекомендуется применять поперечное перемещение ду­ ги при автоматической сварке под флюсом при сварке труб, аргонодуговой сварке высокопрочных сталей в сочетании с двухдуговой схемой процесса.

2.5.6.Тепловые колебания расплава сварочной ванны при ЭЛС

сглубоким проплавлением

Для ЭЛС, в силу её технологических особенностей, тепловые возмущения сварочной ванны могут быть достигнуты импульсной модуляцией мощности электронного луча, колебательным перемещением фокальной мощности луча по вертикали и движением луча по различного вида траекториям. К тому же все эти методы на практике используют для устранения корневых дефектов. Уче­ ными кафедры сварки Пермского государственного технического университета показано, что наиболее эффективно измельчают первичную структуру шва Х-образные колебания электронного луча.

Для каждого металла есть свой диапазон частот модуляции тока элек­ тронного луча, при котором достигается повышение эффективности процесса электронно-лучевой сварки, в частности увеличение глубины проплавления. Диапазон частот модуляции определяется расчетным методом из условия уст­ ранения нежелательного влияния экранировки луча на процесс проплавления. Реализация импульсной модуляции мощности электронного луча крайне проста и осуществляется путем подачи отрицательных импульсов на управляющий электрод триодной электронной пушки. Однако выбор временных параметров модуляции для конкретных режимов сварки и свариваемого материала в каж­ дом отдельном случае затруднен ввиду отсутствия полных данных о колеба­ тельных перемещениях луча в канале проплавления.

Размеры кристаллов, растущих с боковых поверхностей, и угол их на­

клона к оси шва зависят от многих факторов: толщины и массы свариваемого

металла, его температуры, теплофизических свойств, скорости сварки, силы

тока, технологии сварки (например, числа сварочных дуг) и др. При таком ха­

рактере кристаллизации ванны кристаллическое строение сварного шва имеет

вид, представленный на рис. 2.14, б .

Кристаллическое строение сварного шва в сечении, перпендикулярном

его оси, может несколько отличаться в зависимости от условий сварки.

При сварке с предварительной разделкой кромок свариваемых деталей

перегрев и оплавление свариваемого металла, находящегося на кромках,

приводит к тому, что с жидким металлом ванны соприкасаются оплавленные

зерна основного металла.

Эти зерна, выросшие на границе сплавления, служат основой для кри­

сталлизации металла сварочной ванны. На оплавленной поверхности зароды­ шами кристаллизации могут стать также не успевшие раствориться или распла­ виться карбиды тугоплавких элементов и неметаллические включения. Поэто­

му рост столбчатых кристаллов в жидкой сварочной ванне представляет собой

пример кристаллизации на искусственных зародышах. Эти кристаллы свароч­

ной ванны растут от кромок и имеют вид дендритов различной величины (рис. 2.15).

Рис. 2.15. Схема кристаллического строения металла сварного шва в поперечном сечении: а - при малом объеме сварочной ванны и быстром охлаждении; б -

при большом объеме сварочной ванны и медленном

охлаждении; в - при сварке на охлаждаемой металли­ ческой подкладке; г - при многослойной сварке

При сравнительно малой продолжительности существования сварочной ванны (малый объем ванны, повышенная скорость сварки и др.) столбчатые кристаллы могут расти до соединения в области центральной линии шва

(см. рис.2.15, а ).

При большой ванне и медленной ее кристаллизации в центральной части шва образуется небольшая зона равновесных кристаллов, возникших в усло­ виях естественной кристаллизации (см. рис. 2.15, б ).

При сварке на охлаждаемой металлической подкладке на ней кристал­ лизуется тонкий слой мелких разориентированных кристаллов, становящихся зародышами для растущих от них столбчатых кристаллов (см. рис. 2.15, в ).