Электрогазосварка. Электросварка. Газосварка

§19. Строение сварного шва

Наиболее широкое применение в сварных конструкциях имеет малоуглеродистая сталь. Рассмотрим поэтому вопрос о строении сварного шва на примере сварки малоуглеродистой стали.

Основой стали является железо, в котором размещены частицы углерода и других элементов, входящих в ее состав. Железо может находиться в стали в виде феррита и аустенита.

Ферритом называется чистое железо, очень мягкое, обладающее высокой пластичностью, прочностью и магнитными свойствами. В виде феррита железо может находиться при температуре до 910°. Атомы кристалла феррита расположены по схеме, показанной на рис. 25, а. При температуре 910° (называемой критической) и выше феррит переходит в аустенит, характеризуемый более уплотненным расположением атомов (рис. 25, б). Аустенит не магнитен и отличается большей твердостью и вязкостью. При охлаждении ниже 910° аустенит способен снова превращаться в феррит.

Углерод содержится в стали в виде химического соединения с железом — цементита (Fe3C), отличающегося высокой твердостью и хрупкостью. Цементит в мягкой малоуглеродистой стали располагается в виде очень тонких пластинок, скопления которых распределены в основной массе феррита. Такое строение (структура) стали называется перлитом, представляющим собой механическую смесь феррита с цементитом. По мере увеличения содержания углерода в стали количество перлита в ней возрастает. Сталь, содержащая 0,83% углерода, состоит только из перлита. При дальнейшем повышении содержания углерода начинается выделение отдельных зерен цементита и структура стали будет состоять из перлита с распределенным в нем цементитом. Углерод понижает критическую температуру. Как указывалось выше, для чистого железа она равна 910°, для стали, содержащей 0,9% углерода, она составляет всего 720°. Аустенит способен хорошо растворять углерод, вследствие чего при нагревании стали до температуры, незначительно (на 20—30°) превышающей критическую, включения цементита исчезают и сталь приобретает равномерную мелкозернистую структуру. Если затем сталь медленно охладить, то она сохранит мелкозернистое строение. Это свойство стали используется для придания ей мелкозернистой структуры отжигом.

Если нагревать сталь до температуры, значительно превышающей критическую, то получается крупнозернистая структура, которая понижает прочность стали и делает ее более хрупкой. Повторно нагревая перегретую сталь до температуры несколько выше критической и затем медленно охлаждая ее, можно вновь получить мелкозернистую структуру.

Описанные выше превращения происходят в стали не мгновенно, а требуют некоторого времени. Поэтому при быстром охлаждении стали, которое имеет место при сварке, эти превращения не успевают произойти полностью, вследствие чего получаются другие, промежуточные структуры. Так, например, в стали с повышенным содержанием углерода растворенный в аустените углерод при быстром охлаждении не всегда успевает полностью выделиться и остается в феррите. При этом образуется новая, твердая структура — мартенсит. Мартенситная сталь отличается высокой твердостью, но она более хрупкая. Нагрев и последующее быстрое охлаждение (закалка) придают стали повышенную твердость.

Чем больше углерода в стали, тем она более склонна к закалке при нагреве и быстром охлаждении. Изменяя скорость охлаждения, можно получить различную твердость стали. Закалке подвержены стали, содержащие свыше 0,3% углерода. Последующий нагрев и медленное охлаждение (отпуск) устраняют действие закалки на сталь, способствуя частичному или полному выделению углерода из феррита и образованию перлитной структуры.

Степень отпуска (т. е. степень уменьшения твердости) может быть различной в зависимости от температуры нагрева и длительности выдержки стали при этой температуре. Это явление имеет место, например, при наложении многослойных швов. В процессе наложения вышележащих валиков отжигается металл нижележащих слоев шва.

На тщательно отшлифованной поверхности разреза сварного шва, протравленной специальным раствором, можно ясно видеть отдельные его части, имеющие различное строение зерен и называемые зонами сварного шва.

Основной металле процессе сварки нагревается и частично расплавляется, подвергаясь действию высокой температуры сварочной дуги или сварочного пламени. Чем выше температура нагрева, тем большие изменения будет претерпевать металл. В той зоне основного металла, где температура нагрева углеродистой стали не превышает 720°, металл сохраняет те же свойства, которыми он обладал до сварки.

Наплавленный металл получается за счет расплавления присадочного, или электродного металла и частичного смешивания его с основным металлом. При ручной дуговой сварке стали в наплавленный металл за счет расплавления свариваемых кромок добавляется до 10% основного металла; при сварке под флюсом проволокой диаметром 4—5 мм эта добавка основного металла составляет до 50% и более.

Наплавленный металл по составу, строению и свойствам отличается как от присадочного (электродного), так и от основного металла.

Образование первых кристаллов начинается в жидком металле у поверхностей охлаждения и вокруг так называемых центров кристаллизации, образующихся в процессе затвердевания сварочной ванны. Из этих начальных центров образуются зерна металла за счет присоединения новых кристаллов. Чем быстрее охлаждение металла, тем больше образуется центров кристаллизации и тем мельче будут зерна. При медленном охлаждении в процессе затвердевания металл приобретает крупнозернистое строение (рис. 26, а).

Находящиеся в жидком металле примеси и загрязнения (окислы, шлаки и др.) имеют более низкую температуру затвердевания, чем металл, и при застывании располагаются по границам зерен металла, ухудшая их сцепление между собой. Это снижает прочность и пластичность наплавленного металла. Чем чище наплавленный металл, тем выше его механические свойства.

При автоматической сварке под флюсом получается более глубокое проплавление кромок основного металла, чем при ручной сварке, и он имеет зерна разветвленной формы (рис. 26, б), напоминающие ветвь дерева. Зерна такой формы называются дендритами (от греческого слова дендрон — дерево) или столбчатыми и характерны для образовавшегося при застывании жидкого литого металла.

Таким образом, зерна наплавленного металла по своей форме и расположению будут иными, чем зерна основного металла, которые всегда вытянуты в направлении прокатки. Если жидкий наплавленный металл или соседний с ним участок основного металла был очень сильно перегрет, то при охлаждении его зерна принимают игольчатую форму и пересекаются друг с другом в разных направлениях, образуя так называемую видманштеттову структуру. Перегретый металл обладает меньшей прочностью и является более хрупким.

Зона сплавления расположена между основным и наплавленным металлом. В этой зоне основной металл расплавляется и смешивается с наплавляемым металлом электрода. Если зерна основного и наплавленного металла хорошо срослись и как бы проникают друг в друга, то такие швы обладают наибольшей прочностью. Зона сплавления имеет ничтожные размеры и даже при рассмотрении под микроскопом часто сливается с границей шва. Однако это бывает не всегда. В некоторых случаях можно довольно ясно различить границу между зернами основного и наплавленного металла. Иногда на границе между основным и наплавленным металлом образуется цепочка из пленок окислов. В таком месте шов всегда будет обладать пониженной прочностью из-за недостаточного сцепления частиц наплавленного металла с основным.

За зоной сплавления в основном металле имеется участок, где металл не изменяет своего химического состава. Но так как он довольно сильно нагревается, то строение и размеры его зерен изменяются. Эта часть основного металла носит название зоны термического (теплового) влияния или просто зоны влияния.

Зона влияния имеет особое значение при сварке тех сортов сталей, которые чувствительны к закалке (высокоуглеродистых, хромистых). При нагреве и последующем быстром охлаждении таких сталей в зоне влияния резко повышается твердость и хрупкость, часто сопровождающиеся даже появлением трещин в металле шва и прилегающей к нему зоне основного металла. Для таких сталей приходится применять специальные режимы сварки, а также предварительный подогрев и последующую термическую обработку сварных швов.

Строение зоны влияния при ручной дуговой сварке малоуглеродистой стали схематически показано на рис. 27. Рядом с наплавленным металлом расположена зона сплавления, с которой граничит участок перегрева. Здесь основной металл уже не нагревается до температуры плавления, хотя температура нагрева его достаточно высока и лежит в пределах 1100—1500°, что вызывает значительный рост зерен металла на данном участке, и почти всегда сопровождается образованием зерен игольчатой (видманштеттовой) структуры. Эта часть шва обычно является наиболее слабым местом и здесь металл будет обладать наибольшей хрупкостью, хотя и не будет влиять существенно на прочность сварного соединения в целом, за исключением тех случаев, когда перегрев значителен.

По мере удаления от оси шва температура нагрева снижается. В пределах температур 900—1100° находится участок нормализации, характеризующийся наиболее мелкозернистым строением, так как здесь температура нагрева лишь незначительно превышает критическую температуру. Следующий участок, лежащий в пределах температур 720—900°, подвержен лишь частичному изменению структуры основного металла и потому называется участком неполной перекристаллизации. В нем имеются наряду с отдельными довольно крупными зернами скопления мелких зерен. В этой части металла подведенного количества тепла уже недостаточно для измельчения всех зерен.

Участок, соответствующий нагреву от 500 до 720°, называется участком рекристаллизации; в нем структура стали не изменяется, а происходит лишь восстановление прежней формы и размеров зерен, разрушенных и деформированных при прокатке металла. При дальнейшем понижении температуры от 500° и ниже уже нельзя заметить признаков теплового воздействия на основной металл.

Наибольшей прочностью и пластичностью металл сварного соединения будет обладать на участке нормализации.

Наименьшую величину зона термического влияния имеет при дуговой сварке тонкопокрытыми электродами и при сварке под слоем флюса. При ручной дуговой сварке электродами с толстым покрытием зона влияния несколько больше и достигает 5—6 мм.

Ширина зоны влияния главным образом зависит от сварочного тока, скорости сварки и условий отвода тепла от места сварки. Так, например, при автоматической сварке стали со скоростью 10 — 12 м/час током 2000—2500 а ширина зоны влияния достигает 8—10 мм при толщине стали 40 мм; при автоматической сварке стали толщиной 2 мм током 1200—1400 а при скорости 360 м/час зона влияния имеет ширину всего 0,5—0,7 мм.

вверх страницы