Электрогазосварка. Электросварка. Газосварка

§ 9. Кристаллизация металла шва

Процесс кристаллизации заключается в образовании кристаллитов (или зерен) в металлах или в их сплавах. Различают первичную и вторичную кристаллизацию.

Первичная кристаллизация — образование зерен при переходе металлов или сплавов из жидкого состояния в твердое. В затвердевших металлах или сплавах, обладающих полиморфизмом (например, в стали), первичная структура изменяется.

Изменение формы зерен при полиморфных превращениях, происходящих в твердом теле, называют вторичной кристаллизацией.

Условия протекания процесса первичной кристаллизации в значительной степени определяют свойства литого металла и, в частности, металла сварного шва. Кристаллизация металла сварочной ванны отличается от кристаллизации слитка по следующим причинам: сварочная ванна находится одновременно под воздействием нагрева сварочной дугой и охлаждения со стороны твердого металла; жидкий металл ванны, соприкасаясь с более холодным основным металлом, очень быстро охлаждается; жидкий металл сварочной ванны окружен твердым металлом свариваемого изделия, нагретым до различных температур; средняя скорость кристаллизации металла шва равна скорости перемещения ванны, т. е. скорости сварки.

Процесс затвердевания наплавленного металла, или процесс первичной кристаллизации, слагается из двух явлений: зарождения центров кристаллизации и роста зерен. В зависимости от формы и расположения зерен затвердевшего металла различают следующие виды структуры: гранулярную, столбчатую, дендритную.

Структуры кристаллов затвердевшего металла
Гранулярной называют такую структуру, в которой зерна дезориентированы и имеют приблизительно равноосную по всем направлениям форму (рис. 5,6), близкую к форме правильного многоугольника. Гранулярная структура может быть крупнозернистой и мелкозернистой.

Наиболее благоприятной структурой в отношении механических свойств является гранулярная мелкозернистая структура.

Столбчатая и дендритная структуры характеризуются вытянутостью зерен в одном направлении. В столбчатой структуре зерна имеют компактную форму, а в дендритной — ветвистую, елочную (рис. 5,а ив).

Количество отдельных зерен в затвердевшем полностью металле, их форма и расположение зависят от следующих причин: места зарождения центров кристаллизации; скорости зарождения центров кристаллизации и роста зерен; скорости убывания запаса тепла и направления, в котором происходит это убывание; наличия в жидком металле твердых посторонних частиц. При достаточно медленном охлаждении центры кристаллизации возникают более или менее равномерно по всему объему расплавленного металла и зерна растут во все стороны.

В условиях сварки при быстром одностороннем отводе тепла в основной металл центры кристаллизации зарождаются прежде всего на поверхности более интенсивного охлаждения. Зерна начинают быстро расти в направлении, нормальном к тем элементарным площадкам, на которых они образуются. Поэтому в первый момент появится весьма большое количество зерен с неопределенной ориентировкой. Но вскоре в силу соприкосновения граней соседних зерен рост тех из них, которые расположены менее выгодно, прекращается. Далее продолжают расти только зерна, которые имеют нормальное расположение относительно границы между сварочной ванной и основным металлом.

Схема кристаллизации металла в сварочной ванне
Схемы кристаллизации металла в сварочной ванне показаны на рис. 6. Форма стыкового шва определяет условия кристаллизации и распределение неметаллических включений по его сечению.

Схема процесса образования  валика наплавленного металла

В широком шве неметаллические включения вытесняются в его верхнюю часть и могут быть легко удалены.

Общий вид сварного шва

При дуговой и газовой сварке поверхность шва имеет своеобразный чешуйчатый вид. Общий вид сварного шва показан на рис. 7.

Чешуйчатое строение поверхности шва связано с внутренним строением его металла. Процесс кристаллизации металла шва можно представить как периодическое, в форме волн, поступление жидкого металла из ванночки и его быстрое затвердевание (рис. 8).

Поскольку происходит непрерывный процесс плавления металла (основного и присадочного), постольку, очевидно, происходит непрерывный процесс его затвердевания — кристаллизация.

Центрами кристаллизации в этом случае являются оконечности дендритов, выросших в затвердевшем металле. Дендриты возникают сначала на базе зерен основного металла и растут в пределах одной волны металла. Процесс кристаллизации металла шва можно рассматривать и как процесс взаимной кристаллизации металла отдельных волн.

вверх страницы