Влияние термического цикла сварки на структуру и свойства различных зон сварного соединения
В условиях сварки различные точки сварного соединения имеют различные сварочные термические циклы, отличающиеся по значениям максимальной температуры нагрева, времени пребывания в области высоких температур, скорости охлаждения. Следствием такого своеобразного термического воздействия является то, что в сварном соединении, в зависимости от химического состава свариваемого металла и режимов процесса сварки, можно получить слои металла, значительно отличающиеся друг от друга по фазовому составу, структурному состоянию, а следовательно и механическим свойствам.
Рис. 33. Схема строения зоны термического влияния сварного соединения при однослойной дуговой сварке низкоуглеродистой стали с содержанием углерода С=0,2%.Тпл – температура плавления; Тл – температура ликвидус; Тс – температура солидус; Ж – жидкость; А – аустенит; Ф – феррит; П – перлит; Ц – цементит; Ц2 – цементит вторичный; Ц3 – цементит третичный.
Зона наплавленного металла (сварной шов) – перемешанный в жидком состоянии с основным металлом материал электрода или присадочной проволоки (например: при сварке плавящимся электродом или при сварке неплавящимся электродом с присадкой соответственно) или только расплавленный основной металл ( например: при сварке неплавящимся электродом без присадки). Этот участок, кристаллизуясь, образует сварной шов. Сварной шов имеет литую структуру, состоящую из столбчатых кристаллов. Грубая столбчатая структура металла шва является неблагоприятной, так как снижает прочность и пластичность металла.
1. Участок неполного расплавления (околошовная зона ОШЗ)- переходный от наплавленного металла к основному. На этом участке происходит образование соединения и проходит граница сплавления, Он представляет собой очень узкую область (0,1—0,4 мм) основного металла, нагретого до частичного оплавления зерен. Здесь наблюдается значительный рост зерен, скопление примесей, поэтому этот участок обычно является наиболее слабым местом сварного соединения с пониженной прочностью и пластичностью. Температура участка в среднем составляет 1530- 1470 °С.
2. Участок перегрева — область сварного соединения, нагреваемая в среднем до температур 1470 — 1100 °С, в связи с чем металл отличается крупнозернистой структурой и пониженными механическими свойствами (пластичностью и ударной вязкостью). Эти свойства тем ниже, чем крупнее зерно и шире зона перегрева. Ширина участка 2 составляет примерно 0,2… 4 мм.
3. Участок нормализации — область сварного соединения, нагреваемая в среднем до 900... 1100 °С. Благодаря мелкозернистой структуре механические свойства металла на этом участке выше по сравнению с основным металлом. Ширина участка составляет примерно 0,2...4 мм.
4. Участок неполной перекристаллизации — область сварного соединения, нагреваемая в среднем до 700...900 °С. В связи с неполной перекристаллизацией, вызванной недостаточным временем и температурой нагрева, структура этого участка характеризуется смесью мелких перекристаллизовавшихся зерен и крупных зерен, которые не успели перекристаллизоваться. Металл этого участка имеет более низкие механические свойства, чем металл предыдущего участка. Ширина его составляет примерно 0,3…3 мм.
5. Участок рекристаллизации — область сварного соединения, нагреваемая до 500...700 °С. Если сталь перед сваркой испытала холодную деформацию (прокатку, ковку, штамповку), то на этом участке развиваются процессы рекристаллизации, приводящие к росту зерна, огрублению структуры и, как следствие, к разупрочнению. Ширина участка составляет примерно 0,3…5 мм.
6. Участок старения— область сварного соединения, нагреваемая до 300 — 500 °С. Этот участок является зоной перехода от зоны термического влияния к основному металлу. В этой зоне могут протекать процессы старения из-за выпадения карбидов железа и нитридов, в связи с чем механические свойства металла этой зоны понижаются. Ширина участка составляет примерно 0,4…6 мм
Участки 1,2,3,4,5,6 – составляют зону термического влияния (ЗТВ)
7. Основной металл, который не претерпевал заметных изменений в процессе сварки.
Ширина зоны термического влияния зависит от вида, способа и режимов сварки. Чем меньше тепловое воздействие на металл источника теплоты, тем уже зона термического влияния. При электрошлаковой сварке ЗТВ составляет обычно 25 мм и более; при газовой сварке — 15-20 мм; ручной дуговой сварке 3 — 6 мм, при сварке под флюсом средних толщин — около 10 мм; при сварке в защитных газах - 1 – 3 мм; при лазерной и электронно-лучевой – десятые доли миллиметра. Как правило, чем выше скорость нагрева и охлаждения свариваемого изделия, тем меньше размеры зоны термического влияния.
Образование собственных напряжений в результате литейной усадки сварного шва.
В результате остывания и затвердевания жидкого металла сварного шва происходит его усадка. Явление усадки объясняется тем, что при затвердевании металл становится более плотным, в результате чего объем его уменьшается. Ввиду того, что металл шва жёстко связан с более холодным основным металлом, остающимся в неизменном объёме и противодействующим этой усадке, в сварном шве возникают собственные напряжения. При этом, чем меньше количество расплавленного металла, тем меньше значения возникающих напряжений.
Механизм образования собственных напряжений (рис. 35С)
Рис. 35. Образования собственных напряжений в результате неравномерного нагрева металла при сварке и литейной усадки сварного шва
а - сварное соединение; б – заготовки и сварной шов, условно представленные раздельно; в – укорочение Dl1 шва при свободном сокращении; г – совместное сокращение Dl2 сварного соединения (заготовок и жестко связанного с ними сварного шва); В – ширина сварного шва.
1 – свариваемые заготовки; 2 – сварной шов.
1. Укорочение (усадка) сварного соединения вдоль оси Х
Условно представим показанные в плане заготовку 1 (рис. 35С, б) и накладываемый на неё по всей длине продольный сварной шов 2 в виде двух раздельных объектов. Заготовка 1 в исходном состоянии не нагрета, т.е. имеет комнатную температуру. В отличие от неё сварной шов 2 в процессе получения был расплавлен, т.е. в начальный момент своего образования имеет очень высокую температуру. Из сопротивления материалов известно, что приращение длины Dl любого тела, обусловленное температурным воздействием, определяется формулой , Dl =a Dt° l где a – коэффициент температурного расширения материала, Dt° – приращение температуры, l – начальная длина нагреваемого участка тела в направлении температурной деформации.
Поскольку температура шва в результате остывания начнёт уменьшаться, то приращение температуры Dt° и, соответственно, приращение длины Dl будут отрицательными, т.е. шов начнёт укорачиваться. Поскольку условно принято, что шов является отдельным объектом, температурному сокращению которого ничто не препятствует, то при полном охлаждении до комнатной температуры он сократится на величину Dl1 (рис. 35 в) и при этом никаких напряжений внутри шва не возникнет, поскольку отсутствуют силы противодействия.
Однако в реальных условиях, шов в момент окончания своего образования неразрывно связан с заготовкой (рис. 35 г). В этом случае не нагретая заготовка будет препятствовать сокращения шва, в результате чего после полного остывания он сможет уменьшиться не на величину свободного сокращения Dl1, а на значительно меньшую величину Dl2 (рис. 35 г). В сварном соединении возникнут собственные напряжения. Величина Dl2 окажется тем меньше, чем больше сопротивления окажет сокращению шва заготовка, т.е. чем она будет жёстче. Соответственно, чем жёстче будет заготовка, тем большую величину будут иметь собственные сварочные напряжения.
2. Укорочение сварного соединения вдоль оси Y происходит аналогично усадке вдоль оси Х.
3. Укорочение сварного соединения вдоль оси Z происходит аналогично усадке вдоль осей Х и У.
Т.к. при сварке стремятся обеспечить полное проплавление по толщине соединяемых элементов, распределение температур по оси Z будет более равномерным, особенно в случае обеспечения одинаковой ширины шва В по толщине сварного соединения. Вследствие этого уровень собственных напряжений по толщине металла будет меньше, по сравнению с уровнем напряжений, действующих вдоль осей Х и У, и поэтому ими можно пренебречь.
Образование собственных напряжений в результате фазовых превращений в металле при сварке
Фазовые превращения происходят при нагреве металла выше определенных температур. Фазовые превращения при сварке вызывают растягивающие и сжимающие собственные напряжения в связи с тем, что эти превращения в некоторых случаях сопровождаются изменением объема свариваемого металла как на стадии нагрева, так и на стадии охлаждения. Например, на стадии нагрева углеродистых сталей происходит образование аустенита из феррита — этот процесс сопровождается уменьшением объема. На стадии охлаждения сварного соединения из высокоуглеродистых сталей при больших скоростях охлаждения аустенит образует мартенситную структуру, обладающую большим объемом, чем аустенит (мартенсит обладает меньшей плотностью, чем аустенит, и следовательно характеризуется большим объемом). При сварке низкоуглеродистой стали напряжения, возникающие от фазовых превращений, небольшие и практического значения не имеют. Закаливающиеся стали дают значительные объемные изменения, связанные с фазовыми превращениями. Вследствие этого, возникающие собственные напряжения могут иметь значительную величину.
Напряжения от неравномерного нагрева, литейной усадки сварного шва и напряжения от фазовых превращений суммируясь, образуют собственные сварочные напряжения. Эти напряжения, как правило, превышают предел текучести металла. Поэтому в шве, который имел высокую температуру нагрева и, соответственно, повышенную пластичность, возникнут остаточные растягивающие напряжения, а в заготовке, нагретой до более низких температур и имеющей пониженную пластичность – упругие сжимающие. В итоге, после полного остывания шов окажется пластически растянутым силой, действующей на него со стороны заготовки, а заготовка будет упруго сжата силой, действующей на неё со стороны шва. Эти внутренние силы и напряжения являются взаимно уравновешивающими, поскольку именно достижение равновесия между ними и определяет итоговую величину одинакового общего сокращения заготовки и шва.
Рис. 40С. Классификация сварочных напряжений (усилий) по направлению действия относительно координатных осей
Продольные сварочные напряжения (усилия) 1 - сварочные напряжения, действующие вдоль продольной оси сварного шва (вдоль оси Х), Обозначаются σх,
Поперечные сварочные напряжения (усилия) 2 – напряжения, действующие перпендикулярно продольной оси шва в плоскости свариваемых элементов (вдоль оси У).
Обозначаются σу.
Сварочные напряжения (усилия), действующие вдоль оси Z (3) называются напряжениями по толщине и обозначаются σz.
Сварочные напряжения в зависимости от причин их возникновения разделяются на две группы: тепловые и структурные.
Тепловые напряжения первого и второго рода возникают только вследствие расширения при нагреве и укорочения при охлаждении волокон металла.
Структурные напряжения возникают в дополнение к тепловым на участках сварного соединения, металл которых претерпевает полиморфные превращения на стадиях нагрева и охлаждения в процессе сварки. В результате фазовых превращений, происходящих на участках сварного соединения, так как при переходе некоторых металлов (во время нагрева или охлаждения) из одного структурного состояния в другое объем структурных фаз изменяется. Например, мартенсит обладает меньшей плотностью, чем аустенит, и следовательно характеризуется большим объемом. Поэтому распад аустенита при охлаждении легированных сталей сопровождается расширением того участка, в котором появляется мартенсит, что является причиной образования собственных (внутренних) напряжений.