Материаловедение и технология конструкционных материалов

ходит сближение атомов металла сварочной ванны и основного металла до расстояния, при котором возникают атомно-молеку­ лярные связи. В процессе расплавления металла устраняются неровности поверхности, органические пленки, адсорбирован­ ные газы, оксиды и другие загрязнения, мешающие сближению атомов. Межатомному сцеплению способствует повышенная под­ вижность атомов, обусловленная высокой температурой расплав­ ленного металла.

По мере удаления источника нагрева жидкий металл остывает и происходит его затвердевание — кристаллизация. Кристалли­ зация начинается на границе раздела между твердым основным металлом и расплавленным металлом сварочной ванны. Граница раздела является поверхностью охлаждения основного и приса­ дочного материала.

Зародышевыми центрами кристаллизации являются оплав­ ленные зерна основного металла, на которых, как на своеобразной подложке, начинают расти первичные столбчатые кристаллы сварного шва (рис. 18.1, в). Эти кристаллы растут нормально к поверхности охлаждения в глубь жидкого металла ванны и име­ ют вид дендритов разной величины.

При сравнительно малой продолжительности существования сварочной ванны (малый объем ванны, повышенная скорость свар­ ки) столбчатые кристаллы могут прорасти до встречи в области центральной линии шва (рис. 18.1; г). При большой ванне и мед­ ленной ее кристаллизации в центральной части сварочного шва образуется небольшая зона равноосных кристаллов (рис. 18.1, д). После завершения кристаллизации сварочной ванны образует­ ся монолитный, имеющий литую структуру шов, соединяющий в единое целое ранее разобщенные детали.

При сварке давлением (в твердом состоянии) сближение ато­ мов и активация (очистка) поверхностей достигаются в резуль­ тате совместной упругопластической деформации в месте контак­ та соединяемых материалов, часто с дополнительным нагревом.

Первая стадия сварки характеризуется деформацией как мик­ рошероховатостей, так и волнистостей на соединяемых поверх­ ностях (рис. 18.2, а). В зависимости от количества оксидных и адсорбционных наслоений в процессе сближения могут созда­ ваться металлические связи в масштабе немногих микроскопи­ ческих островков, но прочной связи не наблюдается.

Рис. 18.2. Схема образования сварного соединения

при сварке давлением:

а— деформация микрошероховатостей в зоне контакта;

б— рекристаллизация и образование прочного соединения

Под действием усилия F возможно фактическое соприкосно­ вение отдельных микровыступов. Для реального металла, дефор­ мируемого на воздухе, в лучшем случае только десятитысячные доли общей площади контакта приходят в такое близкое сопри­ косновение. На остальной плоскости зазоры между контактируемыми деталями измеряются долями микрометра или даже микрометрами. При этом даже высокие давления не способны в холодном состоянии создать через эти плоскости непосредст­ венный контакт. Этот процесс происходит более эффективно при нагреве соединяемых поверхностей.

В процессе сближения, т.е. при одновременном деформиро­ вании микрошероховатостей и волнистостей, начинается вторая стадия сварки — формирование физического контакта. В его ходе осуществляются схватывание отдельных атомов, их хими­ ческое взаимодействие и образование общих кристаллов на гра­ нице раздела соединяемых поверхностей. В дальнейшем идет процесс рекристаллизации и создания прочного сварного соеди­ нения (рис. 18.2, б).

Длительность стадий образования физического контакта и хи­ мического взаимодействия здесь существенно больше, чем при сварке плавлением, и зависит от ряда факторов: физико-химиче­ ских и механических свойств соединяемых материалов, состояния их поверхности, состава внешней среды, характера приложения давления и других средств активации (ультразвук, трение и т.д.).

Классификация процессов 18.3. и способов сварки

Все известные в настоящее время процессы сварки осуществ­ ляются за счет введения только двух видов энергии — термиче­ ской и механической или их сочетания. В связи с этим по виду вводимой энергии все сварочные процессы разделены на три груп­ пы, а каждой группе соответствуют определенные методы сварки:

□термический (сварка плавлением) — дуговая, электрошлаковая, электронно-лучевая, лазерная, плазменная, газовая, тер­ митная;

□термомеханический (сварка давлением) — контактная, диф­ фузионная, прессовая;

□механический (сварка давлением) — холодная, взрывом, ультразв;уковая, трением.

К термическим относятся процессы, при которых тепловая энергия вводится в стык через расплавленный материал.

Термомеханические и механические процессы осуществля­ ются обязательно с приложением давления. К т ермомеханиче­ ским относятся процессы, протекающие с введением теплоты и механической энергии сил давления. Сварка может вестись как с плавлением металла, так и без плавления, т.е. в твердом со­ стоянии. Теплота может выделяться при протекании электри­ ческого тока, газопламенном или индукционном нагреве.

Механические процессы протекают при введении механиче­ ской энергии сил давления, сдвига или трения. Они используют эффект преобразования механической энергии в тепловую глав­ ным образом вблизи контакта соединяемых частей, т.е. в них преобладают внутренние носители энергии.

Основным способом сварки давлением является контактная сварка, при которой неразъемное соединение образуется в ре­ зультате нагрева металла проходящим электрическим током и пластической деформации зоны соединения. В зависимости от конструкции соединений и технологии их получения кон­ тактная сварка подразделяется на стыковую, точечную и шов­ ную. Разновидностью точечной сварки является рельефная сварка.

Ряд способов сварки плавлением и давлением относят к спе­ циальным. Нашли применение такие способы сварки давлением, как холодная сварка, сварка взрывом, ультразвуковая сварка, сварка трением, диффузионная сварка в вакууме. Используют такие способы сварки плавлением, как электронно-лучевая, ла­ зерная и плазменная.

18.4. Свариваемость металлов

Свариваемость — технологическое свойство материалов или их сочетаний, характеризующее их способность образовывать в процессе сварки соединения, которые отвечают конструктив­ ным и эксплуатационным требованиям к ним. Как правило, конструктивные и эксплуатационные требования, предъявляе­ мые к сварным соединениям, определяются свойствами исполь­ зуемых материалов, поэтому часто под свариваемостью понимают способность материалов образовывать в процессе сварки соеди­ нения, не уступающие по своим свойствам свариваемым мате­ риалам.

Вобщем случае свариваемость есть комплексное свойство,

ионо определяется:

□простотой технологии сварки;

□количеством способов сварки, которые могут быть исполь­ зованы для соединения материала;

а областью режимов сварки, обеспечивающих получение ка­ чественного сварного соединения;

□номенклатурой изделий, для которых могут быть исполь­ зованы сварные соединения из данного материала.

Свариваемость зависит от состава и свойств материала. Чем хуже свариваемость, тем сложнее технология сварки.

При ее разработке необходимо учитывать как свойства исходно­ го материала, так и те изменения, которые могут наблюдаться при сварке в материале сварного соединения.

Основные критерии свариваемости:

□окисляемость металла при сварке;

□сопротивляемость образованию горячих трещин;

□сопротивляемость образованию холодных трещин;

удовлетворительно. Однако для получения высококачественных сварных соединений необходимы строгое соблюдение режимов сварки, специальные температурные условия, в некоторых случа­ ях — подогрев, термообработка.

Ограниченно сваривающиеся стали обладают склонностью к образованию трещин. При сварке этих сталей режимы сварки следует выдерживать узких пределах; механические свойства улучшают путем применения соответствующих электродов, при­ садочных материалов, флюсов; используют предварительный

исопутствующий подогрев (для плохо сваривающихся сталей)

ипоследующую термическую обработку. Сварка допускается только при положительных температурах окружающего возду­ ха. К сталям третьей группы относятся 40, 50, 35Х, ЗОХМА, Х25НВ и др.

Плохо сваривающиеся стали склонны к образованию трещин в шве и зоне термического влияния. При их сварке необходим подогрев, обязательна последующая термообработка. Обычно стали четвертой группы (50Х, Г13, 35ХГ2 и др.) для изготовле­ ния сварных строительных конструкций не применяют.

18.4.2. Влияние легирующих элементов на свариваемость стали

Углерод (С) — одна из основных примесей, определяющих сва­ риваемость стали. Содержание углерода в обычных конструк­ ционных сталях до 0,25 % не ухудшает свариваемости. При более высоком содержании свариваемость стали резко ухудшается, так как в зонах термического влияния образуются структуры закал­ ки, приводящие к трещинам. Повышенное содержание углерода в присадочном материале вызывает при сварке пористость ме­ талла шва.

Марганец (Мп) не ухудшает свариваемости стали, если его со­ держание не превышает 0,3...0,8 %. В среднемарганцовистых (1,8...2,5 %) сталях марганец повышает их закаливаемость и склонность к образованию трещин при сварке.

Кремний (Si) не влияет на свариваемость стали, если его со­ держание не превышает 0,3 %. В обычных углеродистых ста­ лях содержится не более 0,2...0,3 % кремния, в специальных

сталях содержание кремния достигает 0,8. ..1,5 %. В таких коли­ чествах кремний затрудняет сварку из-за высокой жидкотекуче­ сти стали, легкой ее окисляемости и образования тугоплавких оксидов.

Хром (Сг) содержится в низкоуглеродистых сталях в количе­ стве 0,2...0,3 %, в конструкционных — 0,7...3,5, в хромистых — 12...18, в хромоникелевых — 9...35 %. Он затрудняет сварку, так как усиливает окисление металла, образует химические со­ единения с углеродом (карбиды хрома), ухудшающие коррози­ онную стойкость стали и резко повышающие твердость металла в зонах термического влияния. Хром также содействует образо­ ванию тугоплавких оксидов, затрудняющих процесс сварки.

Никель (Ni) в низкоуглеродистых сталях содержится в ко­ личестве до 0,2...0,3 %, в конструкционных — 1...5, в легиро­ ванных — 8...35 %. В некоторых сплавах содержание никеля достигает 85 %. Он увеличивает пластические и прочностные 9 войства стали, измельчает зерна, не ухудшая свариваемости.

Молибден (Мо) в сталях содержится в количестве 0,15...0,8 %. Он измельчает зерно, затрудняет сварку, вызывает образование трещин в наплавленном металле и зонах термического влияния, сильно окисляется и выгорает при сварке.

Содержание в стали 0,8...1,8 % вольфрама (W) резко увели­ чивает ее твердость и работоспособность при высоких темпера­ турах. Он сильно окисляется при сварке, требует хорошей защиты от кислорода, затрудняет сварку.

Ванадий (V) обычно содержится в сталях в количестве 0,2...

0,8 %, в штамповых сталях — 1...1,5 %. Он улучшает закали­ ваемость стали, что затрудняет сварку. В процессе сварки актив­ но окисляется и выгорает.

Титан (Ti) и ниобий (Nb) содержатся в коррозионно-стойких сталях в количестве до 1 %, не усложняют сварочный процесс и не ухудшают свариваемость стали.

Медь (Си) в специальных сталях имеется в количестве 0,3...

0,8 %. Она улучшает ряд свойств стали (прочность, пластич­ ность, ударную вязкость, коррозионную стойкость) и не ухуд­ шает ее свариваемость.

Сера (S) в количествах, превышающих предельно допустимые, ухудшает свариваемость стали, вызывает появление Горячих трещин.

Фосфор (Р) в концентрациях, превышающих предельно до­ пустимые, ухудшает свариваемость стали, вызывает появление холодных трещин.

Кислород (О) содержится в сплаве в виде оксида железа, ухуд­ шает свариваемость стали, снижая ее механические свойства.

Азот (N) образует с железом химические соединения (нитри­ ды) в металле сварочной ванны при ее охлаждении, что снижает пластичность стали.

Водород (Н) является вредной примесью. Скапливаясь в от­ дельных местах сварного шва, он образует газовые пузырьки, вызывает появление пористости и мелких трещин.

Свариваемость стали можно приближенно определить по коли­ честву легирующих элементов, эквивалентных (приравненных) углероду:

где Сэ — эквивалент углерода, %; С, Мп, Si, Cr, Ni, Mo, V, Си, P — содержание в стали легирующих элементов, %.

Легирующие элементы в различной степени влияют на свари­ ваемость сталей. Поэтому их воздействие сравнивают с влиянием углерода — приводят к эквиваленту углерода. Чтобы опреде­ лить Сэ, в формулу вместо символов подставляется процентное содержание легирующих элементов. При Сэ < 0,35 % сталь хо­ рошо сваривается. Если толщина свариваемых элементов менее 8 мм, то сталь хорошо сваривается при Сэ < 0,5 %. При большей толщине металла или при С, > 0,35 % требуется предваритель­ ный подогрев, другие технологические методы сварки или по­ следующая термообработка.

Как видно из приведенной выше формулы, увеличение в стали содержания кремния, никеля, меди в меньшей степени влияет на ухудшение свариваемости. Ухудшают свариваемость стали увеличение содержания марганца, хрома, молибдена, ванадия. Значительно ухудшает свариваемость увеличение содержания фосфора (более 0,05 %). Наличие фосфора в количестве 0,05 % и менее в формуле не учитывается.

При суммарном содержании в стали примесей марганца, крем­ ния, хрома и никеля меньше 1 % сталь хорошо сваривается, если