Зона термического влияния сварного шва

Известно, что сварка предназначена для надежного, прочного и плотного соединения заготовок в составную деталь или сложную конструкцию. Но эти условия, не всегда достигаются в полной мере, так как в сварном шве и околошовной зоне в процессе их сварки и охлаждения происходят изменения внутреннего строения (структуры) металла. Эти изменения сопровождаются ухудшением механических свойств шва и околошовной зоны в сравнении со свойствами металла заготовок, что иногда приводит к выходу конструкций из строя и даже авариям. Каковы же причины таких изменений и как их можно предупредить, или в какой мере учитывать?

При сварке плавлением к кромкам соединяемых заготовок подводят сварочное пламя электрической дуги или горящих газов, которое расплавляет эти кромки и присадочный материал с образованием сварочной ванночки жидкого металла. Этот процесс длится в течении 10...25 с. После удаления источника тепла, металл ванночки охлаждается за 50...80 с и образуется сварной шов. Обязательным условием успешной сварки плавлением является температура сварочного пламени 2700...4000°С. При меньшей температуре источника тепла сварочная ванночка будет образовываться очень медленно и неэффективно вследствие высокой теплопроводности холодного металла и больших потерь тепла. Во время интенсивного нагрева и расплавления основной и присадочный металлы сильно перегреваются. В узкой зоне плавления заготовок кристаллизуются зерна, принадлежащие к основному и наплавленному металлу. Соседние участки основного металла по обе стороны шва в процессе сварки тоже нагреваются, причем, по мере удаления от шва температура их нагрева все меньше и меньше. Эта узкая зона нагретого металла называется зоной термического влияния. Размеры зоны термического влияния зависят от способа и технологии сварки, от теплопроводности и теплоемкости того или иного свариваемого металла. Так, при ручной электродуговой сварке электродами с покрытием ширина этой зоны 4...10 мм, при газовой сварке – 20...25 мм, при автоматической сварке под слоем флюса при большой скорости нагрева ширина зоны термического влияния невелика – 2...2,5 мм. Чем уже околошовная зона термического влияния, тем выше механические свойства сварного соединения.

При сварке низкоуглеродистой стали (с содержание углерода менее 0,25 %) структурные изменения в зоне термического влияния в меньшей степени снижают ее механические свойства в сравнении с тем, как сильно изменяются эти свойства при сварке сталей с повышенным содержанием углерода и легированных сталей.

При сварке стали, в зависимости от удаления слоев металла от шва, эти слои нагреваются в зоне термического влияния до разных температур. А в зависимости от температуры нагрева в различных слоях стали происходят и различные структурные превращения.

В зоне термического влияния условно выделяют шесть участков, нагретых до разных температур и претерпевших различные структурные превращения.

В сварном шве наплавленный металл имеет столбчатое крупно-зернистое строение, характерное для литой стали, прочность и предел текучести которой несколько ниже, чем основного изделия. Некоторая компенсация прочностных характеристик шва достигается его несколько большим поперечным сечением и легированием.

Первый участок. Он примыкает непосредственно к металлу шва. Основной металл на этом участке в процессе сварки частично расплавляется и представляет собой смесь твердой и жидкой фаз. Температура на этом участке выше температуры плавления стали (более 1539°С); образуется крупнозернистая структура.

Затвердевший металл по механическим свойствам близок к металлу шва.

Второй участок. Здесь сталь нагревается до температур от 1500°С до 1100°С. в результате сильного перегрева после охлаждения на этом участке образуется крупнозернистая – грубоигольная структура. Металл этой зоны обладает НАИБОЛЬШЕЙхрупкостью и является САМЫМ СЛАБЫМ местом сварного соединения.

Третий участок. Температура стали в пределах от 900°С до 1100°С. Здесь после медленного охлаждения изделия образуется мелкозернистая структура нормализованной стали, механические свойства которой выше, чем в первых двух зонах, они приближаются к свойствам основного металла заготовок. При электродуговой сварке эта зона преобладающая, а при газовой сварке выражена слабо.

Четвертый участок. Нагрев – 900...700°С, участок неполной перекристаллизации. В нем наряду с крупными зернами феррита образуются мелкие зерна феррита и перлита. Механические свойства стали ниже, чем на участке 3.

Пятый участок. Нагрев – 700...500°С. Если сталь перед сваркой не подвергалась пластической деформации, в холодном состоянии (менее 300°С), то структурных изменений в ней на этом участке не происходит. Если же сталь упрочнялась холодной пластической деформацией, то на этом участке происходит рекристаллизация с потерей приобретенных свойств и падением ударной вязкости.

Шестой участок. Нагрев ниже 500°С. Если предварительно сталь пластически не упрочнялась, то она не претерпевает заметных структурных превращений, однако наблюдается резкое падение ударной вязкости – синеломкость. Если же сталь предварительно пластически упрочнялась, то в этой зоне происходит частичная рекристаллизация с некоторым (до 30...40 %) снижением ее твердости и предела текучести.

Из рассмотренного видно, что зона термического влияния является зоной активной реакции металла на нагрев. Учитывать влияние этой зоны необходимо в следующих случаях:

– при сварке сталей, предварительно подвергнутых холодной пластической деформации происходит потеря приобретенных свойств; поэтому недопустимо сваривать и нагревать стальные грузовые тросы;

– при сварке сталей с повышенным содержанием углерода и легированных сталей образуются закалочные структуры, обладающие значительной хрупкостью, которая может привести к трещинообразованию в зоне термического влияния;

– изделия после сварки должны охлаждаться медленно во избежание образования в околошовной зоне закалочных структур;

– учитывать особенности зоны термического влияния необходимо и при выборе способа сварки изделий.

Таким образом, образование зоны термического влияния сварного шва сопряжено с ухудшением прочностных и пластических свойств свариваемого металла. Это наиболее слабое место в сварном соединении и это необходимо обязательно учитывать, как при проектировании сварных конструкций, так и при их эксплуатации.

Объект изучения.

Образцы сварных соединений с остаточной деформацией вследствие воздействия внутренних сварочных напряжений.