ГлавнаяРазноеКристаллизация наплавленного металла

Кристаллизация металла при сварке и наплавке с использованием проволок и лент. Кристаллизация наплавленного металла


Кристаллизация металла сварочной ванны. Сварка

Кристаллизация металла сварочной ванны

Формирование сварного шва при дуговой сварке происходит путем кристаллизации расплавленного металла сварочной ванны.

Кристаллизацией называют процесс образования кристаллов металла из расплава при переходе его из жидкого в твердое состояние. Образующиеся при этом кристаллы металла принято называть кристаллитами. Кристаллизация металла сварочной ванны начинается у границы с нерасплавившимся основным металлом в зоне сплавления. Различают кристаллизацию первичную и вторичную.

Первичной кристаллизацией называют процесс перехода металлов и сплавов из жидкого состояния в твердое. У металлов, не имеющих аллотропических превращений, процесс затвердевания и охлаждения исчерпывается только первичной кристаллизацией. У металлов и сплавов, имеющих аллотропические формы или модификации, после первичной кристаллизации при дальнейшем охлаждении происходит вторичная кристаллизация металла в твердом состоянии при переходе из одной аллотропической формы в другую.

Первичная кристаллизация металла сварочной ванны протекает периодически, что обусловлено периодичностью снижения теплообмена и выделения скрытой теплоты кристаллизации. Это приводит к слоистому строению металла шва, к появлению зональной и дендритной ликвации. Толщина закристаллизовавшихся слоев зависит от объема сварочной ванны и скорости охлаждения металла и колеблется в пределах от десятых долей миллиметра до нескольких миллиметров (рис. 54, 55).

Зональная (слоистая) ликвация выражается неоднородностью химического состава металла шва в периферийной и центральной зонах. Это является следствием того, что металл периферийных зон затвердевает раньше и поэтому содержит меньше примесей. Металл центральной зоны шва оказывается более обогащенным примесями.

Дендритная ликвация характеризуется химической неоднородностью кристаллитов.

Первые кристаллиты (центральные и начальные части дендритов) содержат меньше примесей, а междендритное пространство оказывается более загрязненным примесями. Улучшая условия диффузии ликвирующих примесей в твердом металле, можно значительно снизить как слоистую, так и дендритную ликвацию. Например, увеличивая скорость охлаждения металла, сокращают длительность двухфазного состояния металла сварочной ванны и этим снижают степень неоднородности состава жидкой и твердой фаз металла шва. Большое значение имеет температурный интервал начала и конца кристаллизации. Чем меньше температурный интервал кристаллизации, тем ниже уровень ликвации. В сталях низкоуглеродистых, имеющих температурный интервал кристаллизации 25–35 °C, ликвация незначительна. С увеличением содержания углерода в стали температурный интервал кристаллизации возрастает и степень ликвации повышается.

Рис. 54. Кристаллизационные слои в металле однопроходного сварного шва

Рис. 55. Схема роста кристаллитов:

1 – граница сплавления;

2 – зерна основного металла;

3 – кристаллизационные слои;

4 – растущие кристаллиты

Вторичная кристаллизация металла происходит при дальнейшем охлаждении твердого металла в виде изменений форм зерен при аллотропических изменениях в металле шва. Она в значительной степени зависит от химического состава металла, скорости охлаждения, других факторов.

Теплота, выделяемая дугой при сварке, распространяется на основной металл. При этом по мере удаления от границы сплавления скорость и максимальная температура нагрева металла снижаются. Вследствие этого в зоне основного металла в зависимости от температуры нагрева происходят фазовые и структурные изменения, которые влияют на прочность сварного соединения.

Зону основного металла, прилегающую к сварочной ванне, называют зоной термического влияния (рис. 56).

Участок неполного расплавления 1 является важным участком зоны, так как здесь происходит сращивание основного и наплавленного металлов и образование общих кристаллов. Участок представляет собой узкую полосу, измеряемую десятыми, а иногда и сотыми долями миллиметра в зависимости от способа сварки.

Участок перегрева 2 включает в себя металл, нагреваемый до температуры, близкой к температуре плавления. Этот участок характеризуется крупнозернистой структурой.

Перегрев, как правило, снижает механические качества металла (пластичность, вязкость). Перегрев стали может вызвать образование крупнозернистой игольчатой структуры с низкими механическими показателями. Это явление характерно для сталей с большим содержанием углерода. Участок перегрева особенно опасен для сталей, склонных к образованию закалочных структур.

Рис. 56.

Термический цикл и схема изменения текстуры и свойств сварного соединения низкоуглеродистой стали при однопроходной сварке: а – распределение максимальных температур; б – схема изменения текстуры; в – изменение твердости

Участок нормализации 3 включает металл, нагреваемый до температуры более 900 °C. При нагреве и охлаждении металла на этом участке происходят перекристаллизация и значительное измельчение зерна. Металл участка приобретает высокие механические качества.

Участок неполной перекристаллизации 4 включает металл, нагреваемый до температуры выше 725 °C. Металл участка состоит из крупных зерен, не прошедших перекристаллизацию, и скопления мелких зерен, прошедших перекристаллизацию. Это объясняется тем, что теплоты, полученной металлом, недостаточно для его полной перекристаллизации. Механические качества металла участка в связи с такой смешанной структурой невысокие.

Участок рекристаллизации 5 включает металл, нагреваемый выше температуры 500 °C. На этом участке структурные изменения в металле не происходят, если только он перед сваркой не подвергался обработке давлением. Если же металл перед сваркой подвергался пластическим деформациям, то на этом участке наблюдается восстановление прежней формы и размеров зерен металла, разрушенных при обработке давлением.

Участок синеломкости 6 по структуре металла не отличается от основного. Однако металл участка имеет несколько пониженные пластичность и вязкость, а также большую склонность к образованию трещин. Ширина зоны термического влияния зависит от вида, способа и режима сварки – при ручной дуговой сварке она равна 2,5–6 мм, при механизированной сварке под флюсом – 2,5–4 мм, при сварке в защитных газах – 1–2,5 мм.

Сварка оказывает незначительное влияние на механические свойства низкоуглеродистой стали. При сварке же конструкционных сталей в зоне термического влияния могут происходить структурные изменения, снижающие механические показатели сварного соединения. При этом в металле шва образуются закалочные структуры и даже трещины.

info.wikireading.ru

Кристаллизация металла при сварке и наплавке с использованием проволок и лент.

Структура металла наплавленного проволоками и лентами имеет определенное отличие. Для металла швов характерна дендритная кристаллизация. (см. конспект)

По сравнению с электродными лентами сплошного сечения, порошковые ленточные электроды имеют определенные преимущества: они позволяют получать наплавленный металл легированный в более широком диапазоне, а также позволяют наплавлять как легированные сплавы, так и композиционные.

Автоматическая наплавка порошковой электродной лентой является перспективным и активно совершенствуемым способом упрочнения деталей машин, обеспечивающим высокую производительность процесса, низкие потери электродного металла, хорошее формирование наплавленного слоя, улучшенные санитарно-гигиенические условия труда, а также возможность автоматизации процесса и использования стандартного оборудования.

Находят применение различные порошковые ленточные электроды, которые отличаются формой, конструктивными параметрами, областью применения, производительностью наплавки. Для наплавки износостойких сплавов применяют в больших объемах порошковые электроды, ко­торые имеют в сечении форму, близкую к прямоугольнику. Конструкция оболочки ленты выбирается в зависимости от требований к свойствам наплавленного металла. Производительность в значительной степени определяется коэффициентом заполнения, представляющим отношение веса сердечника к весу всего порошкового электрода.

Изменение коэффициента заполнения и конструкции оболочки играет существенную роль в процессе плавления и перехода электродного металла в наплавленный слой. Шихта-сердечник порошковых электродов практически не проводит ток и дуга горит между оболочкой и основным металлом. На сердечник воздействует жидкий металл электрода, тепло активного пятна дуги и сварочной ванны. Исследованиями многих авторов показано, что не весь сердечник участвует в образовании капли, т.е. часть шихты попадает в ванну минуя стадию капли. Усложнение конструкции оболочки увеличивает долю участия сердечника в образовании капли. Рост количества сердечника, переходящего через стадию капли, способствует более полному протеканию металлургических процессов и повышает химическую однородность наплавленного металла. Однако диапазон легирования в этом случае уменьшается.

Увеличение коэффициента заполнения способствует раздельному плавлению ленты-оболочки и сердечника при наплавке порошковой лентой. Это является положительным фактором при наплавке композиционных сплавов с применением порошковых лент, когда упрочняющая фаза в виде карбидов, боридов или других износостойких химических соединений вводится в состав шихты сердечника.

Значительное влияние оказывают и особенности поведения дуги на торце электрода. На торце электрода при наплавке на обеих полярностях в диапазоне токов от 500 до 1000 А и напряжения дуги от 28 до 38 В в большинстве случаев горит одна сварочная дуга, которая охватывает только часть торца и перемещается по ленте от одной кромки к другой и некоторое время горит в крайних положениях. Средняя длительность цикла зависит от напряжения дуги, величины и полярности тока. С ростом тока уменьшается длительность цикла. При токах более 900 А появляются скачкообразные переходы, что объясняется прикасанием части электрода, где отсутствует дуга, к сварочной ванне. При наплавке на больших токах и малом напряжении (менее 28 В) четкое чередование периодов горения дуги нарушается. Иногда возникают две дуги. С увеличением напряжения длительность цикла увеличивается.

Из-за воздействия перемещающейся дуги на сварочную ванну приводится в движение большой объем расплавленного металла, интенсифицируются процессы обмена легирующими элементами между ее участками и повышается однородность наплавленного металла.

На процесс плавления порошковой ленты, массоперенос электродного материала, химическую однородность наплавленного металла большое влияние оказывают также технологические режимы производства порошковых лент.

Похожие статьи:

poznayka.org

Кристаллизация металла сварочной ванны | Инструмент, проверенный временем

Формирование сварного шва при дуговой сварке происходит путем кристаллизации расплавленного металла сварочной ванны.

Кристаллизацией называют процесс образования кристал­лов металла из расплава при переходе его из жидкого в твердое состояние. Образующиеся при этом кристаллы металла принято называть кристаллитами. Кристаллизация металла сварочной ванны начинается у границы с нерасплавившимся основным ме­таллом в зоне сплавления. Различают кристаллизацию первич­ную и вторичную.

Первичной кристаллизацией называют процесс перехода металлов и сплавов из жидкого состояния в твердое. У металлов, не имеющих аллотропических превращений, процесс затверде­вания и охлаждения исчерпывается только первичной кристал­лизацией. У металлов и сплавов, имеющих аллотропические фор­мы или модификации, после первичной кристаллизации при дальнейшем охлаждении происходит вторичная кристаллизация металла в твердом состоянии при переходе из одной аллотропи­ческой формы в другую.

Первичная кристаллизация металла сварочной ванны про­текает периодически, что обусловлено периодичностью снижения теплообмена и выделения скрытой теплоты кристаллизации. Это приводит к слоистому строению металла шва, к появлению зо­нальной и дендритной ликвации. Толщина закристаллизовав­шихся слоев зависит от объема сварочной ванны и скорости ох­лаждения металла и колеблется в пределах от десятых долей миллиметра до нескольких миллиметров (рис. 54, 55).

Зональная (слоистая) ликвация выражается неоднород­ностью химического состава металла шва в периферийной и цен­тральной зонах. Это является следствием того, что металл пери­ферийных зон затвердевает раньше и поэтому содержит меньше примесей. Металл центральной зоны шва оказывается более обо­гащенным примесями.

Дендритная ликвация характеризуется химической неодно­родностью кристаллитов.

Рис. 54. Кристаллизационные слои в металле однопроходного сварного шва

рост Кристалов

Рис. 55. Схема роста кристаллитов:

1 — граница сплавления; 2 — зерна основного металла;

3 — кристаллизационные слои; 4 — растущие кристаллиты

Первые кристаллиты (центральные и начальные части денд — ритов) содержат меньше примесей, а междендритное пространство оказывается более загрязненным примесями. Улучшая условия диффузии ликвирующих примесей в твердом металле, можно зна­чительно снизить как слоистую, так и дендритную ликвацию. На­пример, увеличивая скорость охлаждения металла, сокращают длительность двухфазного состояния металла сварочной ванны и этим снижают степень неоднородности состава жидкой и твердой фаз металла шва. Большое значение имеет температурный интер­вал начала и конца кристаллизации. Чем меньше температурный интервал кристаллизации, тем ниже уровень ликвации. В сталях низкоуглеродистых, имеющих температурный интервал кристал­лизации 25-35°С, ликвация незначительна. С увеличением содер­жания углерода в стали температурный интервал кристаллизации возрастает и степень ликвации повышается.

Вторичная кристаллизация металла происходит при дальнейшем охлаждении твердого металла в виде изменений форм зерен при аллотропических изменениях в металле шва. Она в зна­чительной степени зависит от химического состава металла, ско­рости охлаждения, других факторов.

Теплота, выделяемая дугой при сварке, распространяется на основной металл. При этом по мере удаления от границы сплавле­ния скорость и максимальная температура нагрева металла сни­жаются. Вследствие этого в зоне основного металла в зависимости от температуры нагрева происходят фазовые и структурные изме­нения, которые влияют на прочность сварного соединения.

Зону основного металла, прилегающую к сварочной ванне, называют зоной термического влияния (рис. 56).

Участок неполного расплавления 1 является важным участ­ком зоны, так как здесь происходит сращивание основного и нап­лавленного металлов и образование общих кристаллов. Участок представляет собой узкую полосу, измеряемую десятыми, а иногда и сотыми долями миллиметра в зависимости от способа сварки.

Участок перегрева 2 включает в себя металл, нагреваемый до температуры, близкой к температуре плавления. Этот участок характеризуется крупнозернистой структурой.

нв

в

Рис. 56. Термический цикл и схема изменения текстуры и свойств сварного соединения низкоуглеродистой стали при однопроходной сварке: а — распределение максимальных температур; б — схема изменения текстуры; в — изменение твердости

Перегрев, как правило, снижает механические качества металла (пластичность, вязкость). Перегрев стали может вызвать образование крупнозернистой игольчатой структуры с низкими механическими показателями. Это явление характерно для сталей с большим содержанием углерода. Участок перегрева особенно опасен для сталей, склонных к образованию закалочных структур.

Участок нормализации 3 включает металл, нагреваемый до температуры более 900’С. При нагреве и охлаждении металла на этом участке происходят перекристаллизация и значительное из­мельчение зерна. Металл участка приобретает высокие механи­ческие качества.

Участок неполной перекристаллизации 4 включает металл, нагреваемый до температуры выше 725°С. Металл участка состо­ит из крупных зерен, не прошедших перекристаллизацию, и скоп­ления мелких зерен, прошедших перекристаллизацию. Это объяс­няется тем, что теплоты, полученной металлом, недостаточно для его полной перекристаллизации. Механические качества метал­ла участка в связи с такой смешанной структурой невысокие.

Участок рекристаллизации 5 включает металл, нагрева­емый выше температуры 500’С. На этом участке структурные из­менения в металле не происходят, если только он перед сваркой не подвергался обработке давлением. Если же металл перед свар­кой подвергался пластическим деформациям, то на этом участке наблюдается восстановление прежней формы и размеров зерен ме­талла, разрушенных при обработке давлением.

Участок синеломкости 6 по структуре металла не отличает­ся от основного. Однако металл участка имеет несколько пони­женные пластичность и вязкость, а также большую склонность к образованию трещин. Ширина зоны термического влияния за­висит от вида, способа и режима сварки — при ручной дуговой сварке она равна 2,5-6 мм, при механизированной сварке под флю­сом — 2,5-4 мм, при сварке в защитных газах — 1-2,5 мм.

Сварка оказывает незначительное влияние на механические свойства низкоуглеродистой стали. При сварке же конструкци­онных сталей в зоне термического влияния могут происходить структурные изменения, снижающие механические показатели сварного соединения. При этом в металле шва образуются зака­лочные структуры и даже трещины.

hssco.ru

5.2 Процессы кристаллизации при сварке

Процесс образования кристаллов в металле при его затвердевании называется кристаллизацией. Кристаллизация состоит из двух элементарных, одновременно протекающих процессов:

  1. зарождения зародышей, или центров кристаллизации;

  2. роста кристаллов из этих центров.

Кристаллизация металлов протекает с периодическими остановками вследствие периодического выделения скрытой теплоты кристаллизации, приостанавливающей равномерное течение процесса. Центрами кристаллизации для каждого последующего слоя становятся различные неровности на поверхности предыдущего слоя. Процесс кристаллизации имеет направленность: кристаллы растут в направлении, обратном теплоотводу, вглубь жидкости, причем внешняя форма их зависит от условий соприкосновения друг с другом.

Кристаллизация металла в сварочной ванне протекает в специфических условиях:

1.Металл ванны находится под одновременным воздействием как источника тепла, так и охлаждающих стенок ванны. При этом фронт кристаллизации связан с перемещением источника тепла.

2.Распределение температуры по объему металла ванны неравномерно.

3.Кристаллизация металла осуществляется с большими средними скоростями роста кристаллов.

Наличие большого градиента температур в сварочной ванне исключает появление центров кристаллизации в средней части ванны и кристаллы растут только от периферии – от границы сплавления ванны с нерасплавленным, твердым металлом. Подплавленные зерна основного металла становятся центрами кристаллизации. На них как на своеобразной подкладке начинают рост первичные кристаллы.

Скорость роста кристаллов неодинакова. Изменение скорости роста кристаллов при его прорастании от границы сплавления до центра ванны определяется зависимостью:

vk = vCBcosα, где α – угол между направлением сварки и перпендикуляром к границе раздела фаз.

Таким образом, характер изменения скорости роста кристаллов в сварочной ванне от периферии к центру иной, чем в слитке: происходит не замедление в росте, а увеличение скорости роста от минимальной у границы сплавления до максимальной у центра ванны (шва). При этом кристалл (или последовательно нарастающие кристаллы) растет по кривой, определяемой изменением кривизны ванны.

По мере прорастания от границы сплавления некоторые кристаллиты, опережая соседние, получают лучшее питание жидкостью, развиваются полнее и ограничивают возможность прорастания тех, которые на первом этапе росли в менее благоприятных условиях. Поэтому основной формой кристаллитов является дендритной.

При сварке многослойных швов, когда последующий валик переплавляет металл предыдущего, в роли подкладок, на которых будут расти кристаллы, выступают зерна выполненного металла валика. Если металл предыдущего слоя имеет явно выраженную столбчатую структуру, то и в следующем слое кристаллиты растут кака продолжении подкладок. Кристаллы как бы прорастают из слоя в слой. Структура такого типа называется транскристаллитной. Она наиболее характерна, когда металл шва не испытывает перекристаллизации при охлаждении, например у однофазных аустенитных сталей.

Процессу кристаллизации сплавов сопутствуют получение неоднородного состава в различных объемах образовавшегося твердого металла в связи с ликвацией при затвердевании. Ликвация вызывается различной растворимостью примеси (легирующей добавки) в твердой и жидкой фазах основы сплава. Применительно к равновесной диаграмме состояния, например, двухкомпонентной системы с эвтектикой (основа сплава – примесь) при снижении температуры жидкого сплава с исходной концентрацией примеси С0 (рис. 5.2) первые кристаллы будут иметь состав, отвечающей точке 1.

Рис. 5.2. Схема ликвационного перераспределения примеси при кристаллизации.

В момент снижения температуры до солидуса (точка 2) остающаяся жидкость имеет состав 3. При температуре между ликвидусом и солидусом (точка 4) соотношение между количествами твердой и жидкой фаз определяется правилом рычага.

Применительно к равновесным условиям (скорость роста кристаллов vk → 0) связь между составами 1 и 3 определится коэффициентом ликвации χ (рис. 5.2, б). Чем больше χ отличается от единицы, темсильнее состав первых кристаллов отличается от жидкости, затвердевающей в последнюю очередь. Значения таких коэффициентов приведены в таблице 5.1.

Таблица 5.1.

Равновесные коэффициенты ликвации различных элементов в железе

Элемент-примесь в железе

S

P

C

Cu

Si

Mo

Ni

Cr

W

Значение

0,05

0,07

0,13

0,56

0,66

0,70

0,80

0,95

0,95

Общая характеристика

Сильно ликвирующие

Ликвирующие

Слабо ликвирующие

При большой скорости кристаллизации ликвация станет несколько меньше.

Контакт твердого и жидкого металлов даже одинакового состава может привести к перемещению элементов из одной фазы в другую. Так как все ликвирующие элементы лучше растворяются в жидком металле, чем в твердом, то на границе раздела фаз они будут перемещаться из твердого металла в жидкий. При этом концентрация такого элемента в твердом металле у границы понизится и в эту область начнется диффузия данного элемента из соседних объемов твердого металла. При этом за время контакта жидкого и твердого металлов в ванну перемещаются такие элементы, как сера, углерод. В малоуглеродистой стали зоны с уменьшенной концентрацией ликвирующих примесей обычно составляет 0,05 – 0,1 мм. В последующий период времени, когда часть ванны, прилегающая к границе сплавления, затвердевает, уже в твердом металле происходит перераспределение примеси. При этом из зон с большей концентрацией она переходит в зону с меньшей концентрацией. В сварных соединениях сталей углерод в результате его большой подвижности при высоких температурах почти выравнивает свою концентрацию. Менее подвижная в твердом металле сера не успевает переместиться на необходимые расстояния и поэтому вблизи границы сплавления, в частично оплавленном металле, остается зона с уменьшенной концентрацией серы, а рядом в металле шва расположена зона с повышенной концентрацией серы.

studfiles.net

Кристаллизация металла сварочной ванны

Основы сварочного дела

В процессе сварки по мере пере­мещения дуги вслед ей перемещается сварочная ванна. При этом в задней части ванны расплавленный металл охлаждается и, затвердевая, образует сварной шов.

Кристаллизация металла свароч­ной ванны начинается у границы с не - расплавившимся основным металлом в зоне сплавления. Различают крис­таллизацию первичную и вторичную. Первичной кристаллизацией назы­вают процесс перехода металлов и сплавов из расплавленного (жидкого) состояния в твердое. Структура метал­лов, не имеющих аллотропических превращений, определяется только первичной кристаллизацией. Металлы и сплавы, имеющие аллотропические формы или модификации, после пер­вичной кристаллизации при дальней­шем охлаждении претерпевают вто­ричную кристаллизацию в твердом состоянии — переход из одной алло­тропической формы в другую (фазо­вые превращения).

Первичная кристаллизация метал­ла сварочной ванны протекает перио­дически, так как периодически ухуд­шается теплообмен, периодически выделяется скрытая теплота крис­таллизации. Это приводит к слоистому строению металла шва, к появ­лению ликвации, как зональной, так и дендритной. Толщина закристал­лизовавшихся слоев зависит от объема сварочной ванны и скорости ох­лаждения металла и колеблется в пределах от десятых долей миллимет­ра до нескольких миллиметров. Зо­нальная (слоистая) ликвация прояв­ляется в неоднородности химического состава металла шва в периферийной и центральной зонах. Это является следствием того, что металл перифе­рийных зон затвердевает раньше и поэтому содержит меньше примесей, а металл центральной зоны оказывается обогащенным примесями. Дендритная ликвация характеризуется химической неоднородностью кристаллитов. Пер­вые кристаллиты (центральные и на­чальные части дендритов) содержат меньше примесей, а междендритное пространство оказывается более за­грязненным примесями. На процесс ликвации существенно влияет способ сварки. Улучшая условия диффузии ликвирующих примесей в твердом металле, можно значительно снизить как слоистую, так и дендритную ликвации. Например, увеличивая ско­рость охлаждения металла, сокра­щают длительность двухфазного сос­тояния металла сварочной ванны и этим снижают степень неоднородности состава жидкой и твердой фаз. Большое значение имеет температур­ный интервал кристаллизации. Чем меньше температурный интервал кри­сталлизации, тем ниже уровень лик­вации. Например, в сталях низкоуг­леродистых, имеющих интервал кри­сталлизации 25...35°С, ликвация не­значительна. С увеличением содер­жания в стали углерода температур­ный интервал кристаллизации возрас­тает и степень ликвации повышается.

Вторичная кристаллизация метал­ла происходит в виде изменений форм зерен. Она в значительной степени зависит от химического состава метал­ла, скорости охлаждения, а также от ряда других факторов.

Теплота, выделяемая дугой при сварке, распространяется в основной металл. При этом по мере удаления от границы сплавления скорость и максимальная температура нагрева металла снижаются. Вследствие этого

Рис. 38

В зоне основного металла происходят фазовые и структурные изменения, ко­торые влияют на прочность сварного соединения.

Зону основного металла, прилегающую к сварочной ванне, называют зоной термического влияния.

На рис. 38 схематично показаны строение этой зоны и температурные участки с различными структурными превращениями низкоуглеродистой стали.

Участок неполного расплавления (1) является важным участком зоны, так как здесь происходит сращивание основного и наплавленного металлов и образование общих кристаллов. Участок представляет собой узкую полосу, измеряемую десятыми, а иног­да и сотыми долями миллиметра в зависимости от способа сварки.

Участок перегрева (2) включает в себя металл, нагреваемый до тем­пературы, близкой к температуре плавления. Этот участок характеризу­ется крупнозернистой структурой. Перегрев снижает прочность и плас­тичность металла; в сталях с большим содержанием углерода может выз­вать образование крупнозернистой, так называемой видманштеттовой структуры с низкими механическими свойствами. Участок перегрева осо­бенно опасен для сталей, склонных к образованию закалочных структур.

Участок нормализации (3) вклю­чает металл, нагреваемый до темпе­ратуры более 900°С. При нагреве и охлаждении металла на этом участке происходит перекристаллизация и значительное измельчение зерна. Ме­талл участка приобретает высокие ме­ханические свойства.

Участок неполной перекристал­лизации (4) включает металл, нагре­ваемый выше 725°С. Металл участка состоит из крупных зерен, не прошед­ших перекристаллизацию, и скопления мелких зерен, прошедших перекри­сталлизацию. Это объясняется тем, что теплоты, полученной металлом, недостаточно для его полной перекрис­таллизации. Механические свойства металла участка в связи с такой смешанной структурой невысокие.

Участок рекристаллизации (5) Включает металл, нагреваемый выше 450...500°С. На этом участке структур­ные изменения в металле не происхо­дят, если только он перед сваркой не подвергался обработке давлением. Если же металл перед сваркой под­вергался пластическим деформациям, то на этом участке наблюдается вос­становление прежней формы и раз­меров зерен металла, разрушенных при обработке давлением.

Участок синеломкости (6) по структуре металла не отличается от основного. Однако металл участка имеет несколько пониженные пластич­ность и вязкость и большую склон­ность к образованию трещин.

Зона термического влияния состав­ляет: при ручной сварке электродом без покрытия ~2,5 мм; при сварке электродом с качественным покры­тием мм; при автоматической сварке под флюсом ~2,5 мм.

Следует отметить, что на механи­ческие свойства низкоуглеродистой стали сварка влияет незначительно. При сварке же конструкционных ста­лей в зоне термического влияния про­исходят структурные изменения, сни­жающие качество сварного соеди­нения. При этом в металле шва об­разуются закалочные структуры и да­же трещины. Значительно снизить термическое влияние процесса сварки на металл шва и околошовной зоны и получить качественное сварное сое­динение можно правильным выбором режима и техники сварки, а также хорошей подготовкой кромок свари­ваемых частей.

В последнее время с появлением китайской техники на мировом рынке, сварочный аппарат стал наиболее популярным инструментом у владельцев частных домов, коттеджей, дач и гаражей. Учитывая соотношение цен на приобретение сварки …

Выполнение сварочных работ на строительно-монтажной площадке требует особо четкого выполнения всех правил безопасности производ­ства работ. Сварочные работы на высоте с лесов, подмостей и люлек разрешается производить только по­сле проверки этих …

Из применяемых средств контроля особую опасность представляют рент­геновские и гамма-лучи. Рентгенов­ские и гамма-лучи опасны для человека при продолжительном облу­чении и большой дозе. Предельно ДО­пустимая доза, которая не вызывает необратимых изменений …

msd.com.ua

Кристаллизация металла сварочной ванны | soedenimetall.ru

В процессе сварки по мере пере­мещения дуги вслед ей перемещается сварочная ванна. При этом в задней части ванны расплавленный металл охлаждается и, затвердевая, образует сварной шов.

Кристаллизация металла свароч­ной ванны начинается у границы с нерасплавившимся основным металлом в зоне сплавления. Различают крис­таллизацию первичную и вторичную. Первичной кристаллизацией называют процесс перехода металлов и сплавов из расплавленного (жидкого) состояния в твердое. Структура метал­лов, не имеющих аллотропических превращений, определяется только первичной кристаллизацией. Металлы и сплавы, имеющие аллотропические формы или модификации, после первичной кристаллизации при дальнейшем охлаждении претерпевают вто­ричную кристаллизацию в твердом состоянии — переход из одной алло­тропической формы в другую (фазо­вые превращения).

Первичная кристаллизация метал­ла сварочной ванны протекает перио­дически, так как периодически ухудшается теплообмен, периодически выделяется скрытая теплота крис­таллизации. Это приводит к слоистому строению металла шва, к появ­лению ликвации, как зональной, так и дендритной. Толщина закристаллизовавшихся слоев зависит от объема сварочной ванны и скорости ох­лаждения металла и колеблется в пределах от десятых долей миллимет­ра до нескольких миллиметров. Зо­нальная (слоистая) ликвация прояв­ляется в неоднородности химического состава металла шва в периферийной и центральной зонах. Это является следствием того, что металл перифе­рийных зон затвердевает раньше и поэтому содержит меньше примесей, а металл центральной зоны оказывается обогащенным примесями. Дендритная ликвация характеризуется химической неоднородностью кристаллитов. Пер­вые кристаллиты (центральные и начальные части дендритов) содержат меньше примесей, а междендритное пространство оказывается более за­грязненным примесями. На процесс ликвации существенно влияет способ сварки. Улучшая условия диффузии ликвирующих примесей в твердом металле, можно значительно снизить как слоистую, так и дендритную ликвации. Например, увеличивая ско­рость охлаждения металла, сокра­щают длительность двухфазного сос­тояния металла сварочной ванны и этим снижают степень неоднородности состава жидкой и твердой фаз. Большое значение имеет температур­ный интервал кристаллизации. Чем меньше температурный интервал кри­сталлизации, тем ниже уровень лик­вации. Например, в сталях низкоуг­леродистых, имеющих интервал кри­сталлизации 25…35°С, ликвация не­значительна. С увеличением содер­жания в стали углерода температур­ный интервал кристаллизации возрас­тает и степень ликвации повышается.

Вторичная кристаллизация метал­ла происходит в виде изменений форм зерен. Она в значительной степени зависит от химического состава метал­ла, скорости охлаждения, а также от ряда других факторов.

Теплота, выделяемая дугой при сварке, распространяется в основной металл. При этом по мере удаления от границы сплавления скорость и максимальная температура нагрева металла снижаются. Вследствие этого в зоне основного металла происходят фазовые и структурные изменения, ко­торые влияют на прочность сварного соединения.

  • Зону основного металла, прилегающую к сварочной ванне, называют зоной термического влияния.
строение зоны термического влияния

Рис. 1

На рис. 1 схематично показаны строение этой зоны и температурные участки с различными структурными превращениями низкоуглеродистой стали.

Участок неполного расплавления (1) является важным участком зоны, так как здесь происходит сращивание основного и наплавленного металлов и образование общих кристаллов. Участок представляет собой узкую полосу, измеряемую десятыми, а иног­да и сотыми долями миллиметра в зависимости от способа сварки.

Участок перегрева (2) включает в себя металл, нагреваемый до температуры, близкой к температуре плавления. Этот участок характеризуется крупнозернистой структурой. Перегрев снижает прочность и плас­тичность металла; в сталях с большим содержанием углерода может выз­вать образование крупнозернистой, так называемой видманштеттовой структуры с низкими механическими свойствами. Участок перегрева осо­бенно опасен для сталей, склонных к образованию закалочных структур.

Участок нормализации (3) вклю­чает металл, нагреваемый до темпе­ратуры более 900°С. При нагреве и охлаждении металла на этом участке происходит перекристаллизация и значительное измельчение зерна. Металл участка приобретает высокие ме­ханические свойства.

Участок неполной перекристал­лизации (4) включает металл, нагре­ваемый выше 725°С. Металл участка состоит из крупных зерен, не прошед­ших перекристаллизацию, и скопления мелких зерен, прошедших перекри­сталлизацию. Это объясняется тем, что теплоты, полученной металлом, недостаточно для его полной перекрис­таллизации. Механические свойства металла участка в связи с такой смешанной структурой невысокие.

Участок рекристаллизации (5) включает мёталл, нагреваемый выше 450…500°С. На этом участке структурные изменения в металле не происхо­дят, если только он перед сваркой не подвергался обработке давлением. Если же металл перед сваркой под­вергался пластическим деформациям, то на этом участке наблюдается вос­становление прежней формы и раз­меров зерен металла, разрушенных при обработке давлением.

Участок синеломкости (6) по структуре металла не отличается от основного. Однако металл участка имеет несколько пониженные пластич­ность и вязкость и большую склон­ность к образованию трещин.

Зона термического влияния состав­ляет: при ручной сварке электродом без покрытия ~2,5 мм; при сварке электродом с качественным покры­тием ~6 мм; при автоматической сварке под флюсом ~2,5 мм.

Следует отметить, что на механи­ческие свойства низкоуглеродистой стали сварка влияет незначительно. При сварке же конструкционных ста­лей в зоне термического влияния про­исходят структурные изменения, снижающие качество сварного соеди­нения. При этом в металле шва об­разуются закалочные структуры и да­же трещины. Значительно снизить термическое влияние процесса сварки на металл шва и околошовной зоны и получить качественное сварное сое­динение можно правильным выбором режима и техники сварки, а также хорошей подготовкой кромок свари­ваемых частей.

soedenimetall.ru

Формирование и кристаллизация металла шва, строение зоны термического влияния

Дуга в процессе сварки оказывает давление на сварочную ванну. Это приводит к тому, что жидкий металл из-под основания дуги вытесняется, дуга несколько погружается. При ручной сварке толстопокрытыми электродами глубина погружения дуги составляет 3—4 мм, при сварке под флюсами – 8—10 мм. По мере продвижения дуги в хвостовой части зоны плавления металла происходит интенсивный отвод тепла в массу холодного металла. Кристаллиты растут в направлении, перпендикулярном к поверхности теплоотвода. Кристаллизация металла шва, т. е. переход из жидкого состояния в твердое, протекает с остановками. После охлаждения первого слоя происходит некоторая задержка кристаллизации из-за ухудшения теплоотвода и выделения скрытой теплоты кристаллизации первого слоя. После некоторой задержки вследствие непрекращающегося теплоотвода в глубь основного металла начинает кристаллизоваться второй слой и т. д. Таким образом, периодически происходит кристаллизация по всему продольному и поперечному сечению металла шва.

Толщина кристаллизационных слоев может колебаться от десятых долей миллиметра до нескольких миллиметров. Закристаллизовавшийся металл однопроходного шва имеет столбчатое строение, это обусловлено тем, что в направлении отвода теплоты (перпендикулярно границе плавления) кристаллиты растут быстрее, чем в других направлениях. Наибольшая толщина кристаллизационных слоев наблюдается в металле шва при электрошлаковой сварке. Ось каждого кристаллита обычно не прямая, она несколько изогнута в направлении вершины шва (рис. 17).

Рис. 17. Направление столбчатых кристаллитов в швах, выполненных электрошлаковой сваркой: а – разрез вдоль шва; б – разрез поперек шва

При сварке под флюсом уменьшается скорость охлаждения шва, это создает благоприятные условия для удаления газов из металла шва и всплывания шлаковых включений, но размер кристаллитов резко увеличивается, что ухудшает прочностные свойства металла шва. Чтобы избежать ухудшения свойств, необходимо измельчить структуру шва. Для этого в жидкий металл вводятся добавки (модификаторы) – алюминий, титан или ванадий. В процессе кристаллизации металла шва возникает неравномерное распределение составляющих сплава. Это в металловедении называют ликвацией.

Ликвация – это прежде всего неоднородность по химическому составу. Ликвация зональная характеризуется различием химического состава периферийной зоны и центральной части металла шва.

Дендритная (внутрикристаллическая) ликвация характеризуется неоднородностью химического состава отдельных кристаллов. Центральная часть дендритов состоит, как правило, из чистого твердого раствора, а граница между дендритами наиболее загрязнена вредными примесями, поэтому разрушение металла шва чаще всего происходит по границам зерен. Чтобы избежать вредного влияния ликвации (особенно при сварке легированных сталей) необходимо производить термическую обработку для выравнивания химического состава металла. На свойства сварного соединения наряду с химическим составом металла шва значительное влияние оказывает и структура металла шва, а также структура зоны термического влияния околошовной зоны. В процессе сварки нагревается основной металл и в нем происходят структурные изменения под воздействием высоких температур.

Область нагрева называют зоной термического влияния. В дальнейшем применяется сокращенное название ЗТВ. Температура, до которой нагреваются отдельные участки ЗТВ, изменяется от температуры плавления до окружающей температуры. Рассмотрим структуры ЗТВ для сталей, наиболее распространенных при сварке конструкций (до 0,20 % углерода) (рис. 18).

Рис. 18. Схема изменения структур околошовной зоны однопроходного шва:

а – температурные границы участков околошовной зоны; б – часть диаграммы состояния сплавов Fe-C

В зависимости от температуры нагрева, структурных и физико-механических изменений в ЗТВ различают следующие участки: 1) неполного расплавления; 2) перегрева; 3) нормализации; 4) неполной перекристаллизации; 5) рекристаллизации; 6) синеломкости.

Участок неполного расплавления является переходным от наплавленного металла к основному, его часто называют переходной зоной. В процессе сварки этот участок находится в твердожидком состоянии, и поэтому переходная зона отличается по химическому составу как от основного, так и от наплавленного металла. Свойства этого участка оказывают в большинстве случаев решающее влияние на работоспособность сварной конструкции.

Участок перегрева определяется температурными границами: от температуры участка неполного расплавления до температуры около 1100 °С. В некоторых случаях при ручной сварке в зоне перегрева сталей с повышенным содержанием углерода образуется крупнозернистая структура, которая заметно снижает пластичность металла и увеличивает его хрупкость.

Ударная вязкость снижается на 25 % и более.

Участок нормализации охватывает металл, нагреваемый в процессе сварки от температуры несколько выше линии критических превращений до температуры ниже 1000 °С. На этом участке происходит образование мелкозернистой вторичной структуры. Механические свойства металла на участке нормализации обычно выше свойств основного металла в его исходном состоянии.

Участок неполной перекристаллизации для низкоуглеродистой стали определяется температурным диапазоном от 725 до 850 °С. Металл на этом участке подвергается только частичной перекристаллизации. Наряду с зернами, образовавшимися в результате перекристаллизации, присутствуют зерна исходного металла.

Участок рекристаллизации наблюдается при сварке стали, подвергшейся пластической деформации (прокат). На этом участке в интервале температур 450—700 °С наблюдается некоторое измельчение зерен, что не изменяет механических свойств ЗТВ металла.

Участок синеломкости охватывает температурный диапазон от 200 до 400 °С. На этом участке наблюдаются синие цвета побежалости на поверхности металла. При сварке низкоуглеродистых сталей на участке наблюдается резкое падение ударной вязкости из-за снижения пластичности. Это происходит в тех случаях, когда в сталях содержится кислород, азот и водород в несколько избыточном количестве.

Размеры отдельных участков ЗТВ и общая ширина ее зависят от условий нагрева, охлаждения и способов сварки.

Контрольные вопросы:

1. Расскажите о формировании и структуре шва в момент перехода металла из жидкого состояния в твердое.

2. Чем вызвано направление роста кристаллов в процессе охлаждения?

3. Каково влияние скорости охлаждения на структуру шва?

4. Каково влияние химического состава на структуру шва?

5. Что такое зона термического влияния и ее основные участки?

6. Дайте краткую характеристику участков зоны термического влияния.

megalektsii.ru