Металлургические процессы при сварке

ВВЕДЕНИЕ .

Сварочная металлургия отличается от других металлургических

процессов высокими температурами термического цикла и малым временем

существования сварочной ванны в жидком состоянии , т. е. в состоянии ,

доступном для металлургической обработки металла сварного шва . Кроме

того ,специфичны процессы кристаллизации сварочной ванны , начинающиеся

от границы сплавления , и образования изменённого по своим свойствам

металла зоны термического влияния.

В своей работе я отразил сущность лишь основных и наиболее общих

процессов, происходящих в металле при сварке , хотя постарался изложить

их как можно подробней и интересней .

ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ СВАРКИ .

Сварка сопровождается комплексом одновременно протекающих

процессов , основными из которых являются : тепловое воздействие на

металл в зоне термического влияния , термодеформационные плавления ,

металлургической обработки и кристаллизации металла в объёме сварочной

ванны в зоне сплавления .

Физическая свариваемость характеризует принципиальную возможность

получения монолитных сварных соединений и главным образом относится к

разнородным металлам .

В процессе сварки имеет место непрерывное охлаждение . Характер

структурных превращений при этом отличается от случая распада аустенита

при изотермической выдержке . При непрерывном охлаждении значение

инкубационного периода в 1.5 раза больше , чем при изотермическом . С

увеличением скорости охлаждения получаемая структура в зоне

изотермического влияния измельчается , твёрдость её повышается . Если

скорость охлаждения превышает критическую скорость , образование

структур закалки неизбежно .

Закалённые структуры в аппаратостроении являются крайне

нежелательными : отличаются высокой твёрдостью , хрупкостью , плохо

обрабатываются , склонны к образованию трещин .

Если скорость охлаждения ниже критической скорости , образование

закалочных структур исключается . В зоне термического влияния наиболее

желательными являются пластичные , хорошо обрабатываемые структуры типа

перлита или сорбита . Поэтому получение качественных соединений

непременно связано с достижением желаемых структур в основном

регулированием скорости охлаждения .

Подогрев способствует перлитному превращению и является

действенным средством исключения закалочных структур . Поэтому он служит

в качестве предварительной термической обработки сварных соединений

(нагрев до сварки и в процессе её ) . Меняя скорость охлаждения , можно

получить желаемую твёрдость в зоне термического влияния .

В некоторых случаях появляется необходимость увеличения скорости

охлаждения . Путём ускоренного охлаждения удаётся измельчить зерно ,

повысить прочностные свойства и ударную вязкость в зоне термического

влияния . С этой целью находит применение метод сопутствующего

охлаждения . Сварное соединение в процессе сварки с обратной стороны

дуги охлаждается водой или воздушной смесью , что способствует получению

крутой ветви скорости охлаждения.

Технологическая прочность сварного шва .

Термин “Технологическая прочность” применяется для характеристики

прочности конструкции в процессе её изготовления . В сварных

конструкциях технологическая прочность лимитируется в основном

прочностью сварных швов . Это один из важных показателей свариваемости

стали .

Технологическая прочность оценивается образованием горячих и

холодных трещин .

1. Горячие трещины .

Это хрупкие межкристаллические разрушения металла шва и зоны

термического влияния . Возникают в твёрдо-жидком состоянии на

завершающей стадии первичной кристаллизации , а так же в твёрдом

состоянии при высоких температурах на этапе преимущественного развития

межзернистой деформации .

Наличие температурно- временного интервала хрупкости является

первой причиной образования горячих трещин . Температурно- временной

интервал обуславливается образованием жидких и полужидких прослоек ,

нарушающих металлическую сплошность сварного шва . Эти прослойки

образуются при наличии легкоплавких , сернистых соединений (сульфидов )

FeS с температурой плавления 1189 С и NiS с температурой плавления 810 С

. В пиковый момент развития сварочных напряжений по этим жидким

прослойкам происходит сдвиг металла , перерастающего в хрупкие трещины

.

Вторая причина образования горячих трещин - высокотемпературные

деформации . Они развиваются вследствие затруднённой усадки металла шва

, формоизменения свариваемых заготовок , а так же при релаксации

сварочных напряжений в неравновесных условиях сварки и при

послесварочной термообработке , структурной и механической концентрации

деформации.

2. Холодные трещины .

Холодными считают такие трещины , которые образуются в процессе

охлаждения после сварки при температуре 150 С или в течении нескольких

последующих суток . Имеют блестящий кристаллический излом без следов

высокотемпературного окисления .

Основные факторы , обуславливающие появление холодных трещин

следующие:

а) Образование структур закалки ( мартенсита и бейнита ) приводит к

появлению дополнительных напряжений , обусловленных объёмным эффектом .

б) Воздействие сварочных растягивающих напряжений .

в) Концентрация диффузионного водорода .

Водород легко перемещается в незакалённых структурах . В мартенсите

диффузионная способность водорода снижается : он скапливается в

микропустотах мартенсита , переходит в молекулярную форму и постепенно

развивает высокое давление , способствующее образованию холодных трещин

. кроме того , водород , адсорбированный на поверхности металла и в

микропустотах , вызывает охрупчивание металла .

Углеродистые стали : сварка и сопутствующие ей процессы .

Сплавы Fe и С , где процентное содержание углерода не превышает

2,14 % , называют углеродистыми сталями . Углерод оказывает сильное

влияние на свойства сталей . Наличие других элементов обусловлено :

1. Технологическими особенностями производства - Mn , Si - для

устранения вредных включений закиси железа , FeO и FeS .

Вокруг оторочки сернистого железа , начиная с 985 С , происходит

оплавление , что ведёт к снижению технологической прочности сварного шва

. Температура плавления MnS составляет 1620 С , кроме того , он

пластичен .

2. Невозможностью полного удаления из металла ( S, P, N , H )

3. Случайными причинами ( Cr , Ni , Cu и другие редкоземельные металлы )

Углеродистые стали составляют основную массу сплава Fe-C , до 95 %

аппаратуры и оборудования изготавливают из этих сталей .

В отечественной промышленности наиболее широко применяют стали с

содержанием углерода до 0,22 % , редко от 0,22 до 0,3 % .

Структурно -фазовые превращения углеродистых сталей определяются

диаграммой состояния Fe-C . В нормализованном состоянии имеют феррито-

перлитную структуру . С точки зрения кинетики распада аустенита , у

углеродистых сталей происходит превращение аустенита в перлит ( второе

основное превращение).

В зависимости от температуры охлаждения , степени переохлаждения ,

скорости охлаждения феррито- цементитной смеси получается различной

степени дисперсионный перлит , сорбит , бейнит , троостит .

Низколегированные стали повышенной прочности.

К низколегированным относят стали , содержащие в своём составе до

2 % легирующих элементов каждого в отдельности и до 5 % суммарно ( Mn ,

Si , Cr , Ni ). Содержание углерода , как и у углеродистых сталей не

превышает 0,22 % . Содержание S и P в низколегированных сталях такое же

, как в качественных сталях.

При сварке , кинетика распада аустенита такая же , как и

углеродистых сталей . При охлаждении на воздухе получается феррито-

перлитная структура . Поэтому низколегированные стали повышенной

прочности относят к хорошо свариваемым сталям .

Однако легирующие элементы существенно снижают критическую

скорость охлаждения . При содержании в верхнем пределе и высоких

скоростях охлаждения возможно подавление перлитного превращения и

появления промежуточных и закалочных структур .

При уменьшении погонной энергии сварки и увеличении интенсивности

охлаждения в металле шва и зоне термического влияния возрастает

вероятность распада аустенита с образованием закалочных структур . При

этом будет увеличиваться вероятность образования холодных трещин и

склонность к хрупкому разрушению .

При повышенных погонных энергиях наблюдается рост зерна аустенита

и образуется грубозернистая феррито- перлитная структура видманштетового

типа с пониженной ударной вязкостью .

Выбор тепловых режимов в основном преследует цель недопущения

холодных трещин . Одним из самых технологичных средств , снижающих

вероятность появления трещин , является подогрев . Температура подогрева

определяется в зависимости от эквивалента углерода и толщины

свариваемого проката . Необходимая температура подогрева возрастает с

увеличением легированности стали и толщины свариваемого проката .

Низколегированные стали жаропрочные перлитные .

Хромомолибденовые стали 12МХ , 12ХМ , 15ХМ предназначены для

работы в диапазоне температур -40... +560 С . В основном используются

при температурах +475...+560 С . Их применение обусловлено низкой

стоимостью и достаточно высокой технологичностью при изготовлении

сварных конструкций и производстве отливок , поковок .

На участках , нагретых выше точки Ас(3) , возможно образование

мартенсита и троостита . Реакция стали на термический цикл сварки

характеризуется разупрочнением в зоне термического влияния в интервале

температуры Ас(3) - Т (0), который объясняется процессами отпуска .

Протяжённость разупрочненного участка увеличивается про больших

значениях погонной энергии сварки .

Мягкая разупрочненная прослойка может явиться причиной локальных

разрушений сварных соединений в процессе эксплуатации , особенно при

изгибающих нагрузках .

Устранение разупрочнения осуществляется последующей термической

обработкой с фазовой перекристаллизацией в печах ( объёмная термическая

обработка ) .

Образование обезуглероженной ( ферритной ) прослойки - это

специфический показатель свариваемости , присущий этим сталям .

В процессе последующей эксплуатации при температурах 450-600 С ,

происходит миграция углерода из металла шва в основной металл , или

наоборот , когда имеет место различие в их легировании

карбидообразующими элементами .

Стали системы Fe-C-Cr ( хромистые стали ) .

Хром - основной легирующий элемент . Он придаёт сталям ценные

свойства : жаропрочность , жаростойкость ( окалиностойкость ,

коррозионную стойкость ) .Чем больше содержание хрома , тем более

высокой коррозионной стойкостью обладает сталь . Такое влияние хрома

объясняется его способностью к самопассивированию даже в естественных

условиях и образованию плотных газонепроницаемых оксидных плёнок при

высоких температурах .

1. Специфика свариваемости сталей типа 15Х5М .

Склонность к закалке осложняет технологический процесс выполнения

сварочных работ . В зоне термического влияния образуются твёрдые

прослойки , которые не устраняются даже при сварке с подогревом до 350-

400 С . Для полного устранения твёрдых прослоек необходимо применение

дополнительных мер . Небольшая скорость распада хромистого аустенита ,

вызывающая склонность к закалке на воздухе , и фазовые превращения

мартенситного характера снижают стойкость сталей к образованию трещине

при сварке .Применение закаливающих на воздухе сталей для изготовления

сварного оборудования приводит к образованию в сварных соединениях

механической неоднородности .

Механическая неоднородность , заключающаяся в различии свойств

характерных зон сварного соединения , является следствием , с одной

стороны , неоднородности термодеформационных полей при сварке структурно

- неравновесных сталей , с другой - применения технологии сварки с

Страницы: 1, 2