Изучение структуры сварного соединения

 

Цель работы:

1) изучить особенности формирования структуры и механических свойств металла шва и зоны термического влияния сварного соединения;

2) изучить основные дефекты сварных соединений.

 

Краткие сведения из теории

Процесс образования сварного соединения начинается с нагрева и расплавления электродного и основного металла, образования сварочной ванны. Металл ванны подвергается металлургической обработке: раскислению (удалению кислорода), рафинированию (удалению вредных примесей) и легированию для компенсации выгорающих одних химических элементов и введения в расплав других. Сварочная ванна покрывается слоем жидкого шлака, защищающего ее от окружающей среды, под которым и начинается кристаллизация расплавленного металла шва.

Одновременно с образованием сварочной ванны и процессом кристаллизации происходит нагрев околошовной зоны (ОШЗ) основного свариваемого металла. В этой зоне каждый объем металла сварного соединения претерпевает нагрев тем больше, чем ближе он расположен к сварному шву, а затем наступает его охлаждение. Вследствие этого металл сварного соединения при нагреве расширяется, а затем в результате последующего охлаждения происходит его усадка, следовательно, в металле возникают внутренние напряжения сжатия и растяжения. Кроме температурных (термических) напряжений происходят и структурные напряжения (фазовые), которые также зависят от термического цикла сварки.

 

Строение сварного шва

 

В зависимости от реальных условий процесса сварки, температуры, скорости нагрева и охлаждения различных участков металл сварного соединения неоднороден и состоит из следующих двух зон.

Металл шва – это та зона, в которой в связи с нагревом выше температуры плавления (линии ликвидус) свариваемый металл расплавляется в процессе сварки, перемешивается с металлом электрода и затем кристаллизуется. Металл шва имеет литую дендритную структуру и состоит из кристаллов столбчатой формы. Особенностью кристаллизации сварочной ванны является то, что в отличие от кристаллизации слитка (отливки) кристаллизация шва протекает при одновременном его подогреве со стороны источника тепла и быстрого охлаждении из-за отвода тепла в основной металл.

Известно, что литая структура металла шва обладает меньшей прочностью и пластичностью по сравнению с основным металлом, который, как правило, имеет более высокую прочность и ударную вязкость за счет обработки его давлением (прокатка, ковка, штамповка и т. п.).

Металл шва за счет перехода в него легирующих элементов из электродного стержня и покрытия (обмазки) часто отличается по химическому составу от основного металла. Равнопрочность литого металла с основным металлом при сварке достигается за счет дополнительного легирования шва.

Зона термического влияния – часть основного металла, примыкающая к сварному шву, с измененными в процессе сварки структурой и свойствами. В данной зоне выделяется участок с крупными зернами, т. е. участок металла, который в процессе сварки нагревался до температуры выше линии солидус, но ниже линии ликвидус (в данной температурной области происходит частичное расплавление основного металла). Этот участок принято называть околошовной зоной. В ОШЗ в процессе сварки могут попадать химические элементы из металла электрода (из сварочной ванны). В участках ОШЗ, примыкающих к границе сплавления основного металла со швом, из-за большой разницы химического состава основного и электродного (присадочного) металлов может образоваться химическая неоднородность (главным образом за время контакта жидкого металла с твердым). Эта неоднородность может привести к скачкообразному изменению физико-механических свойств металла околошовной зоны и снижению надежности сварного соединения. Процессы, происходящие в металле шва и на границе его сплавления с основным металлом, рассмотрены в литературе [1 – 4]. Ширина ОШЗ зависит от химического состава свариваемого металла (от температурного интервала «ликвидус – солидус»), от способа и режимов сварки.

Характер изменения структуры и свойств в отдельных зонах и участках сварного соединения может быть определен при рассмотрении диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов. Наибольшее применение в сварочном производстве получили низко- и среднеуглеродистые стали. Намечая на диаграмме состояния сплавов характерные зоны и участки, перенесем их границы на график распределения температуры (рис. 2). Из точек пересечения горизонтальных линий с кривой охлаждения опустим перпендикуляры на рисунок сварного соединения. Это позволит определить линейные границы отдельных участков зоны термического влияния. В процессе электросварки плавлением низкоуглеродистых сталей применяют сварочные материалы, при которых металл шва получается либо низкоуглеродистым, либо низколегированным. Такие стали малочувствительны к скорости охлаждения и не образуют закалочных структур. Их структура, как правило, ферритно-перлитная.

Рассмотрим зону термического влияния сварного соединения (см. рис. 2):

1 – переходный участок (иногда его называют ОШЗ), или участок сплавления, обычно размер его невелик. Структура стали – крупнозернистая;

2 – участок перегрева. Здесь металл нагревается от температуры 1100°С до температуры, близкой к линии солидус. При этом происходит рост зерна аустенита, что приводит к повышенной хрупкости стали. Иногда на этом участке встречается видманштеттова структура, что еще больше снижает ударную вязкость стали;

3 – участок нормализации. Здесь металл нагревается в процессе сварки несколько выше третьей критической точки (от 900 до 1100°С). В процессе перекристаллизации при нагреве и охлаждении происходит измельчение зерна. Механические свойства металла этого участка высокие по сравнению со свойствами металла других участков зоны термического влияния;

 

4 – участок неполной перекристаллизации. Металл нагревается до температуры 700 – 900°С (между первой и третьей критическими точками). Процесс перекристаллизации доэвтектоидной стали при нагреве сопровождается превращением перлита в аустенит, и его зерна измельчаются. Феррит при такой температуре никаких изменений не претерпевает. При охлаждении зерна феррита остаются без изменения, а аустенит переходит в мелкозернистый перлит. Структура этого участка основного металла может иметь более мелкозернистое строение и повышенные механические свойства;

5 – участок рекристаллизации. Температура нагрева этого участка ниже первой критической точки (727°С). В горячекатаной или отожженной перед сваркой стали при нагреве и охлаждении никакие структурные изменения не происходят. Она была и остается ферритно-перлитной.

Если металл перед сваркой был наклепан (нагартован) в результате какой-либо холодной пластической деформации (штамповка, гибка, правка), то при таком нагреве в нем произойдет рекристаллизация. Прочность и твердость снизятся, пластичность восстановится. Искажение кристаллической решетки будет снято, а из деформированных зерен вырастут новые – равноосные. Для углеродистой доэвтектоидной стали температура рекристаллизации равна 550 – 600°С.

Если температура нагрева металла на этом участке близка к первой критической точке (727°С) и длительность пребывания его при этой температуре значительна, то происходит процесс собирательной рекристаллизации. При этом укрупняется зерно и происходит разупрочнение металла. Данный участок в этом случае называют участком разупрочнения. То же происходит при сварке сталей после упрочняющей термической обработки (закалка – отпуск или закалка – старение);

6 – участок синеломкости. Температура нагрева металла на данном участке сварного шва ниже 500°С, и его структура не отличается от структуры основного металла. У железа и его сплавов прочность и твердость при температуре от 200 до 300°С выше прочности при комнатной температуре, а пластичность и ударная вязкость – ниже. Это явление получило название «синеломкость». Температура синеломкости соответствует появлению на металле синего цвета побежалости (пленки окисла синего цвета).

 

2.1.2. Влияние структуры шва на механические свойства

сварного соединения

 

Таким образом, механические свойства зон и участков сварного соединения неодинаковы. В зоне термического влияния наиболее низкие механические свойства наблюдаются у металла шва, на границе сплавления, участке перегрева и участке синеломкости. У наплавленного металла шва это объясняется литой структурой металла и вероятностью наличия дефектов (инородных включений, пор, непроваров и т. п.), в переходной зоне шва – тем, что структура стали состоит из литых зерен и крупных кристаллов перегретого металла с характерной для них низкой прочностью. На участке синеломкости также низкие пластичность и ударная вязкость. Такая разносвойственность участков сварного шва особенно резко проявляется при эксплуатации сварных конструкций, испытывающих динамические и циклические нагрузки.

Структурную неоднородность сварного соединения можно в определенной степени устранить термической обработкой. Если на термическую обработку возлагается только задача снятия внутренних напряжений, возникших в результате сварки, то можно ограничиться низкотемпературным отжигом при 500 – 600°С с последующим медленным охлаждением.

Процесс сварки протекает в условиях непрерывного изменения температуры, деформаций, напряжений и структуры в околошовной зоне вследствие интенсивного местного неравномерного нагрева металла. Оценка изменения температуры в зоне термического влияния при сварке плавлением может быть сделана по результатам расчетов тепловых процессов [3, 5].

Параметры термического цикла (ПТЦ) околошовной зоны при однопроходной сварке изменяются в широких пределах в зависимости от толщины листов основного металла. Наиболее эффективным средством изменения параметров термического цикла является предварительный или сопутствующий подогрев места сварки (последующее снижение скорости охлаждения для уменьшения закалочных явлений). Однако подогрев иногда не может быть использован из-за возможности чрезмерного роста зерна стали (перегрева), образования околошовных горячих трещин или из-за трудности осуществления.

В случае многослойной сварки параметры термического цикла в ОШЗ (при укладке первого слоя многослойного шва длинными участками) принципиально не отличаются от параметров однопроходной наплавки или сварки. Расчеты основываются на одних и тех же схемах. Металл в околошовной зоне каждого предыдущего слоя, до момента начала укладки следующего, успевает почти полностью охладиться. Однако последующие слои охлаждаются все-таки несколько медленнее, чем первый. В отношении возможности воздействия на структуру и свойства металла шва и ОШЗ этот способ обладает двумя существенными преимуществами:

резкое снижение длительности пребывания металла при температуре интенсивного роста зерен; т. е. чем больше число укладываемых слоев, тем меньше погонная энергия дуги, и продолжительность пребывания металла при температуре выше 900°С;

положительное воздействие теплоты последующего слоя на формирование структуры предыдущего.

Благодаря этим преимуществам способ многослойной сварки длинными участками является основным технологическим вариантом для соединения большинства элементов конструкций средней и большой толщины из перлитных и мартенситных сталей.

вследствие непрерывного суммирования тепловых полей при многослойной сварке короткими участками с последовательным наложением слоев можно получить в околошовной зоне первого слоя сложный термический цикл с малой длительностью пребывания выше 900°С, подобный циклу изотермической закалки. Этот цикл позволяет в околошовной зоне и шве при сварке сталей, склонных к образованию мартенситной структуры, получить твердый, относительно вязкий и пластичный металл со структурой бейнита.

Прочность сварного соединения зависит также от дефектов, не связанных со структурными превращениями, – это неправильное формирование шва, образование наплывов и подрезов, образование трещин при неравномерной усадке в процессе кристаллизации металла шва. При затвердевании объем шва уменьшается, а основной металл препятствует этой усадке. В результате могут образоваться значительные внутренние напряжения и даже трещины.

 

Порядок выполнения работы

1) Исследовать под микроскопом ММУ-3 структуру наплавленного металла и зоны термического влияния. Выявить дефекты сварного соединения.

2) Зарисовать схему строения сварного шва (см. рис. 2) и описать особенности структуры каждого участка зоны термического влияния.

3) Определить по структуре сварного шва наиболее вероятное место его разрушения.

 

Содержание отчета

1) схема строения сварного шва с расшифровкой всех обозначений. Описание выявленных дефектов макроструктуры.

2) Описание особенностей структуры каждого участка зоны термического влияния.

3) Выводы о прочности и надежности исследованного сварного шва.

 

Лабораторная работа 3