Глава 9 образование шва и околошовной зоны

В сварочной ванне расплавленные основной и, если используют, до­пол-нительный металлы перемешиваются. По мере перемещения источ­ника тепло-ты вслед за ним перемещается и сварочная ванна. В результате потерь теплоты на излучение, теплоотвод в изделие, а при электрошлако­вой сварке - и в форми-рующие ползуны в хвостовой части ванны проис­ходит понижение температуры расплавленного металла, который, за­твердевая, образует сварной шов.

Форма и объем сварочной ванны зависят от способа сварки и основ­ных параметров режима. Ее объем может составлять от миллиметров до сотен куби-ческих сантиметров.

В результате этого изменяются и условия затвердевания (кристалли­зации) металла сварочной ванны, которые также зависят от условий теплоотвода, т.е. от толщины свариваемого металла, типа сварного соедине­ния, способа сварки, наличия шлака на поверхности сварочной ванны и т.д. Таким образом, назван-ные выше условия определяют и неодинаковое время существования в расплав-ленном состоянии металла в различных уча­стках сварочной ванны.

Кристаллизация металла сварочной ванны у границы с нерасплавившим-ся основным металлом (границы сплавления) протекает очень быстро. По мере удаления от нее к центру ванны длительность пребыва­ния металла в расплав-ленном состоянии увеличивается. Переход металла из жидкого в твердое сос-тояние - первичная кристаллизация на границе сплавления начинается от час­тично оплавленных зерен ос­новного или ранее наплавлен­ного металла (рис. 6.1) в виде дендритов, растущих в направ­лении, обратном теплоотводу, т.е. в глубь сварочной ванны. Таким образом, возникают об­щие зерна.

При многослойной сварке, когда кристаллизация начина­ется от частично оплавленных зерен предыдущего шва, воз­можно прорастание кристаллов из слоя в слой - образуется транскристаллитная структура.

Рис. 6.1. Строение зоны плавления

На различных этапах кристаллизации металла сварочной ванны и роста дендритов состав кристаллизующего жидкого металла не одинаков. Первые порции металла менее загрязнены примесями, чем последние. В результате об-разуется зональная и внутридендритная химическая не­однородность металла. Неоднородность химического состава в различ­ных участках одного дендрита, когда его поверхностные слои более за­грязнены примесями - внутридендритная ликвация, имеет преимущест­венное развитие в сварном шве.

Ликвация в сварном шве зависит от его химического состава, формы сва-рочной ванны и скорости кристаллизации. Способ сварки оказывает существен-ное влияние на развитие ликвации.

Первичная кристаллизация металла сварочной ванны имеет преры­вистый характер, вызванный выделением перед фронтом кристаллизации скрытой теп-лоты кристаллизации. Это приводит к характерному слои­стому строению шва и появлению ликвации в виде слристои неоднород­ности, которая в наибольшей степени проявляется вблизи границы сплавления. Слоистая ликвация также за-висит от характера и скорости кристаллизации металла сварочной ванны. Слои-стая и дендритная ликва­ции уменьшаются при улучшении условий диффузии ликвирующих эле­ментов в твердом металле.

Образовавшиеся в затвердевшем металле шва в результате первич­ной кристаллизации столбчатые кристаллиты имеют аустенитную микро­структуру (диаграмма состояния системы Fe-C сплавов на рис. 6.2, спра­ва).

При дальнейшем охлаждении металла, при температуре аллотропи­ческо-го превращения Ас₃ начинается процесс перестройки атомов про­странственной решетки – перекристаллизация. В результате перекри­сталлизации происходит распад части аустенита и превращение его в феррит. Так как растворимость уг-лерода в феррите меньше, чем в аустените, выделяющийся углерод вступает в химическое соединение с желе­зом, образуя цементит.

Рис. 6.2. Строение зоны термического влияния сварного шва при дуговой сварке низкоуглеродистой и низколегированной сталей

Дальнейшее охлаждение стали ниже температуры превращения Ac₁ (723⁰С) приводит к образованию: эвтектоидной смеси феррита и цементита -перлита. Вторичная кристаллизация сопровождается значительным уве­личе-нием числа зерен, так как в пределах первичного зерна аустенита образуется несколько зерен перлита и феррита. Это благоприятно влияет на механические свойства стали. С увеличением в стали содержания уг­лерода количество перли-та возрастает. Одновременно может наблюдать­ся и рост зерен. Количество и строение перлитной фазы зависит также от скорости охлаждения металла шва.

При некоторых условиях может образоваться видманштеттова структура, характеризующаяся выделением феррита из аустенита не только по границам зерен, но и по кристаллографическим плоскостям отдельных кристаллитов. Видманштеттова структура в сварных соедине­ниях не желательна, так как сни-жает их механические свойства. Металл шва при комнатной температуре и обычных для сварки скоростях охлаж­дения в области температур перекристал-лизации имеет ферритно-перлитную или сорбитообразную структуру.

Теплота, выделяемая при сварке, распространяется вследствие теп­лопро-водности в основной металл. Этот процесс характеризуется термическим цик-лом. В каждой точке околошовной зоны температура вначале нарастает, дости-гая максимума, а затем снижается. Чем ближе точка рас­положения к границе сплавления, тем быстрее происходит нагрев метал­ла в данном участке и тем выше максимальная температура, достигае­мая в нем. При значительном удале-нии от шва нагрев основного металла практически не происходит.

Таким образом, различные участки основного металла характеризу­ются различными максимальными температурами и различными скоро­стями нагрева и охлаждения, т.е. подвергаются своеобразной термообра­ботке. Поэтому струк-тура и свойства основного металла в различных участках сварного соединения различны. Зону основного металла, в ко­торой под воздействием термического цикла при сварке произошли фа­зовые и структурные изменения, называют зо-ной термического влияния. Характер этих превращений и протяженность зоны термического влия­ния зависят от состава и теплофизических свойств сварива-емого металла, способа и режима сварки, типа сварного соединения и т.п.

На рис. 6.2 слева показаны поперечное сечение стыкового сварного сое-динения при однослойной сварке низкоуглеродистой стали, кривая распределе-ния температур по поверхности сварного соединения в мо­мент, когда металл шва находится в расплавленном состоянии, и струк­туры различных участков зоны термического влияния шва после сварки, образованные в результате дей-ствия термического цикла сварки. Эта схема - условная, так как кривая распре-деления температур по поверхно­сти сварного соединения во время охлаждения меняет свой характер.

На участке неполного расплавления объемы металла нагревались в ин­тер-вале температур между солидусом и ликвидусом, что приводило к час­тичному расплавлению (оплавлению) зерен металла. Пространство между нерасплавив-шимися зернами заполнено жидкими прослойками, связанными с металлом сва-рочной ванны. Поэтому в него могли проникать и элементы, вводимые в металл сварочной ванны. В результате состав металла на этом участке может отличать-ся от состава основного металла, а за счет нерасплавившихся зерен основного металла - и от состава металла шва.

Слоистая ликвация способствует увеличению химической неодно­роднос-ти металла на этом участке по сравнению с металлом шва. Состав и структура металла в этой зоне зависят также от диффузии элементов, которая может про-ходить как из основного нерасплавившегося металла в жидкий металл, так и наоборот. Этот участок по существу и является ме­стом сварки. Его протяжен-ность зависит от состава и свойств металла, способа сварки и обычно не превы-шает 0,5 мм, но свойства металла в нем могут оказывать решающее влияние на свойства всего сварного соединения.

На участке перегрева металл нагревался в интервале температур от 1100 ... 1150 °С до линии солидуса. Металл, нагревавшийся выше темпе­ратуры Ас₃, полностью переходит в состояние аустенита, при этом про­исходит рост зерна, размеры которого увеличиваются тем больше, чем выше температура металла. Даже непродолжительное пребывание метал­ла при температурах свыше1100°С приводит к значительному увеличе­нию размера зерен. Крупнозернистая струк-тура металла на этом участке перегрева после охлаждения может привести к образованию неблагопри­ятной видманштеттовой структуры.

Металл, нагретый незначительно выше температур Ас₃, имеет мел­козер-нистую структуру с высокими механическими свойствами. Этот участок назы-вается участком нормализации (перекристаллизации). На участке неполной пе-рекристаллизации металл нагревался до температу­ры между Ac₁ и Ас₃. Поэ-тому он характеризуется почти неизменным фе-роитным зерном и некоторым измельчением и сфероидизацией перлит­ных участков.

Металл, нагревавшийся в интервале температур 500... 550 °С до A_с1 (учас-ток рекристаллизации), по структуре незначительно отличается от основного. Если до сварки металл подвергался пластической деформа­ции, то при наг-реве в нем происходит сращивание раздробленных зерен основного металла – рекри-сталлизация. При значительной выдержке при этих температурах может прои-зойти значительный рост зерен. Механиче­ские свойства металла этого участка могут несколько снизиться из-за разупрочнения ввиду снятия наклепа.

При нагреве металла в интервале температур 100 ... 500 °С (участок старе-ния) его структура в процессе сварки не претерпевает видимых из­менений. Од-нако в некоторых сталях, содержащих повышенное количе­ство кислорода и азота (обычно кипящих), их нагрев при температурах 150 ... 350 °С сопровож-дается резким снижением ударной вязкости и со­противляемости разрушению.

Многослойная сварка ввиду многократного воздействия термическо­го цикла сварки на основной металл в околошовной зоне изменяет строе­ние и структуру зоны термического влияния. При сварке длинными уча­стками после каждого последующего прохода предыдущий шов подвер­гается своеобразному отпуску. При сварке короткими участками шов и околошовная зона длительное время находятся в нагретом состоянии. Помимо изменения структур, это увели-чивает и протяженность зоны термического влияния.

Последующие слои термически воздействуют на ранее наплавлен­ные швы, имеющие структуру литого металла, и создают в них зону термического влияния, строение и структура которой значительно отлича­ются от зоны тер-мического влияния в основном металле, подвергавшемся прокатки. Эта зона на участке перегрева обычно не имеет крупного зерна и характеризуется мелкозер-нистыми структурами с повышенными пластиче­скими свойствами.

При газовой сварке более медленный нагрев по сравнению с дуговой сваркой приводит к значительному росту нерасплавившихся зерен ос­новного металла, прилегающих к границе сплавления. Начинающаяся от них кристалли-зация расплавленного металла сварочной ванны способст­вует крупнозернис-тому строению металла шва. Этому способствуют и умеренные способы охлаж-дения. Протяженность зоны термического влия­ния при газовой сварке значи-тельно больше, чем при дуговой (до 28 мм). Поэтому и ширина различных участков зоны термического влияния больше.

Структура металла швов при электрошлаковой сварке может харак­тери-зоваться наличием трех зон (рис. 6.3, а): зоны у крупных столбчатых кристал-лов, которые растут в направлении, обратном отводу теплоты; зоны 2 тонких столбчатых кристаллов с меньшей величиной зерна и не­сколько большим их отклонением в сторону теплового центра; зоны 3 равноосных кристаллов, рас-полагающейся посередине шва. В зависимо­сти от способа электрошлаковой сварки, химического состава металла шва и режима сварки может быть полу-чено различное строение швов. Повышение содержания в шве углерода и мар-ганца увеличивает, а уменьшение интенсивности теплоотвода уменьшает ши-рину зоны 7.

Рис. 6.3. Строение металла шва при электрошлаковой сварке

Направленность кристаллизации зависит от коэффициента формы шва. При его увеличении за счет уменьшения скорости подачи электрод­ной прово-локи (рис. 6.3, б) происходит отклонение роста кристаллов в сторону теплового центра сварочной ванны. Подобные швы имеют по­вышенную стойкость против кристаллизационных трещин. Медленное охлаждение швов при электрошлако-вой сварке в интервале температур фазовых превращений способствует тому, что их структура характеризу­ется грубым ферритно-перлитным строением с утолщенной оторочкой феррита по границам кристаллов.

Термический цикл околошовной зоны при электрошлаковой сварке хара-ктеризуется длительным ее нагревом и выдержкой при температурах перегрева и медленным охлаждением. Поэтому в ней могут образовы­ваться грубые вид-манштеттовы структуры, которые по мере удаления от линии сплавления сме-няются нормализованной мелкозернистой структурой. В зоне перегрева может наблюдаться падение ударной вязко­сти, что устраняется последующей термо-обработкой (нормализация с отпуском).

Термический цикл электрошлаковой сварки, способствуя распаду аусте-нита в области перлитного и промежуточного превращений, благо­приятен при сварке низколегированных сталей, так как способствует по­давлению образова-ния закалочных структур.

Основным фактором, определяющим после окончания сварки конеч­ную структуру металла в отдельных участках зоны термического влияния, является термический цикл, которому подвергался металл этого участка при сварке. Ре-шающими факторами термического цикла сварки являются мак­симальная тем-пература, достигаемая металлом в рассматриваемом объеме, и скорость его ох-лаждения. Ширина и конечная структура различных уча­стков зоны термичес-кого влияния определяются способом и режимом свар­ки, составом и толщиной основного металла. Общая протяженность зоны термического влияния может достигать 30 мм. При более концентрирован­ных источниках теплоты протяжен-ность зоны меньше.

Рассмотренное разделение зоны термического влияния - приближенно. При переходе от одного структурного участка к другому имеются промежу­точные структуры. Кроме того, диаграмму железо - углерод мы рассматри­вали статично, в какой-то момент существования сварочной ванны. В дей­ствительности температура в точках зоны термического влияния изменяется во времени в соответствии с термическим циклом сварки.

Повышение прочности низколегированных сталей достигается леги­рова-нием их элементами, которые растворяются в феррите и измельчают перлитную составляющую. Наличие этих элементов при охлаждении тормозит процесс распада аустенита и действует равносильно некоторо­му увеличению скорости охлаждения. Поэтому при сварке в зоне терми­ческого влияния на участке, где металл нагревался выше температур Ас₁при повышенных скоростях охлаждения могут образовываться закалоч­ные структуры. Металл, нагревавшийся до температур значительно выше Ас₃, будет иметь более грубозернистую структуру.

При сварке термически упрочненных сталей на участках рекристал­лизации и старения может произойти отпуск металла с образованием структуры сорбита отпуска и понижением прочностных свойств металла. Технология из-готовления сварных конструкций из низколегированных сталей должна предусматривать минимальную возможность появления в зоне термического влияния закалочных структур, способных привести к холодным трещинам, особенно при сварке металла больших толщин. При сварке термически упрочненных сталей следует принимать меры, преду­преждающие разупрочнение стали на участке отпуска.