Околошовная зона сварного соединения что это
Перейти к содержимому

Околошовная зона сварного соединения что это

  • автор:

Характерные зоны сварных соединений

Сварные соединения, выполненные сваркой плавлением, можно разделить на несколько зон, отличающихся макро- и микро- структурой, химическим составом, механическими свойствами и другими признаками; сварной шов, зону сплавления, зону термического влияния и основной металл (рис. 1). Характерные признаки зон связаны с фазовыми и структурными превращениями, которые претерпевают при сварке металл в каждой зоне.

Сварной шов характеризуется литой макроструктурой металла. Ему присуща первичная микроструктура кристаллизации, тип которой зависит от состава шва и условий фазового перехода из жидкого состояния в твердое.

Характерные зоны сварных соединений

Рис 1 Характерные зоны сварных соединений 1 – шов, 2 – зона термического влияния, 3 – основной металл, 4 – околошовный участок зоны термического влияния, 5– зона сплавления, Тл, Тси Тп – температуры ликвидуса солидуса и начала фазовых и структурных превращений

Зона термического влияния (3TB) – участок основного металла, примыкающий к сварному шву, в пределах которого вследствие теплового воздействия сварочного источника нагрева протекают фазовые и структурные превращения в твердом металле. В результате этого ЗТВ имеет отличные от основного металла величину зерна и вторичную микроструктуру. Часто выделяют околошовный участок ЗТВ или околошовную зону (ОШЗ). Она располагается непосредственно у сварного шва и включает несколько рядов крупных зерен. Металл шва, имеющий литую макроструктуру, и ЗТВ в основном металле, имеющая макроструктуру проката или рекристаллизованную макроструктуру литой или кованой заготовки, разделяются друг от друга поверхностью сплавления. На поверхности шлифов, вырезанных из сварного соединения и подвергнутых травлению реактивами, она при небольших увеличениях наблюдается как линия или граница сплавления.

Зона сплавления (ЗС) – это зона сварного соединения, где происходит сплавление наплавленного и основного металла. В нее входит узкий участок шва, расположенный у линии сплавления, а также оплавленный участок ОШЗ. Первый участок образуется вследствие недостаточно эффективного переноса, расплавленного основного металла в центральные части сварочной ванны. Здесь имеет место перемешивание наплавленного и основного металлов в соизмеримых долях. На оплавленном участке ОШЗ возможно появление между оплавленными зернами жидких прослоек, имеющих аналогичный состав. В случае применения разнородных наплавленного и основного металлов (например, аустенитного и перлитного) ЗС отчетливо наблюдается в виде переходной прослойки. Она имеет часто существенно отличающиеся от металла шва и ЗТВ химический состав, вторичную микроструктуру и свойства. Распределение элементов по ширине ЗС имеет сложный характер, который определяется процессами перемешивания направленного и основного металла, диффузионного перераспределения элементов между твердой и жидкой фазами и в твердой фазе на этапе охлаждения.

Основной металл располагается за пределами ЗТВ и не претерпевает изменений при сварке. Может влиять на превращения в ЗТВ в зависимости от eгo макро- и микроструктуры, определяемых способом первичной обработки металла (прокат, литье, ковка, деформирование в холодном состоянии) и последующей термообработкой (отжиг, нормализация, закалка с отпуском, закалка со старением и т. п.).

Околошовная зона сварного соединения что это

Типичный случай такого соединения — сварка среднеуглеродистой и высокоуглеродистой стали с нелегированной сталью, такой как SS400 (ASTM A36). Это сочетание крайне склонной к образованию трещин высокопрочной стали и малопрочной стали (400 MPa) с хорошей свариваемостью.

Следующие моменты являются ключевыми при сварке такого сочетания сталей:
① Обязательное использование сварочных электродов низководородного типа.
② Что касается прочности сварочного металла, то меньшая прочность основного металла (400 MPa в
данном случае) является достаточной.
③ Температура предварительного подогрева должна быть такой, которая рекомендуется для
среднеуглеродистой/высокоуглеродистой стали.
④ Условия при проведении послесварочного отжига для снятия напряжений должны быть такими, которые
требуются для менее прочного основного металла.

4. Сварные соединения

Макроскопическая структура сварного соединения при сварке стали представлена на Илл. 1. Сварное соединение состоит из сварочного металла, поверхности контакта, околошовной зоны и зоны первоначальной структуры основного металла. Сварочный металл — это часть, которая была расплавлена и затем затвердела, он представляет собой смесь наплавленного металла и основного металла. Поверхность контакта — это граница между сварочным металлом и основным металлом. Зона основного металла толщиной в несколько миллиметров, расположенная непосредственно за поверхностью контакта и отличающаяся от соседней зоны наличием макроскопического травления, называется околошовной зоной (HAZ).

Эта зона подвергается воздействию высоких температур при сварке, при этом ее макроскопическая структура и механические свойства значительно изменены по сравнению с изначальным основным металлом. Ширина этой зоны составляет около 1-3 мм в случае дуговой сварки металлическим электродом в среде защитного газа. Зачастую поведение околошовной зоны определяет общие свойства всего сварного соединения.

Илл. 1 Макроскопическая структура сварного шва

(1) Сварочный металл

При дуговой сварке сварочная ванна отличается резкой разницей температур — между поверхностью, где поддерживается высокая температура непосредственно под сварочной дугой, и дном, где температура значительно ниже из-за соприкосновения с основным металлом. Поэтому во многих случаях в сварочной ванне происходит кристаллизация в области границы с основным металлом, и кристаллизация идет в направлении к поверхности сварочной ванны по мере резкого снижения температуры.

На фото 1 показан пример такого явления. Как показывают наблюдения, каждый кристалл растет в определенном направлении. Такой тип кристалла называется столбчатым кристаллом, он является типичным для структуры сварочного металла. Образовавшиеся столбчатые кристаллы формируют крупнозернистую структуру с низкой ударной вязкостью и механическими свойствами, зависящими от направления роста кристаллов.

Обычно дуговая сварка выполняется в несколько слоев. При многослойной сварке, как показано на Илл. 2, предыдущий слой подвергается повторному нагреванию последующим слоем, и столбчатые кристаллы в зоне, нагреваемой до определенной температуры, превращаются в более мелкозернистую структуру. Так как эта мелкозернистая структура обладает хорошими механическими свойствами, важно получить сварное соединение, содержащее как можно больше таких мелкозернистых структур. Для достижения этого эффективно увеличение числа слоев.

Фото 1 Макроскопическая структура сварного соединения

Илл. 2 Столбчатые кристаллы могут превратиться в более мелкозернистую структуру при многослойной сварке

(2) Околошовная зона

Околошовная зона (HAZ) — это зона основного металла, которая подвергается настолько большому воздействию сварочной температуры, что ее свойства значительно отличаются от свойств зоны первоначальной структуры основного металла. Самым проблематичным изменением является затвердевание околошовной зоны. Такой случай представлен на Илл.3

Илл. 3 Распределение твердости для сварных соединений стали 0,4C−1,5 Mn−0,2 Mo

Околошовная зона, однажды нагретая при высокой температуре во время сварки, начинает быстро остывать после прекращения дуги. Это значит, что структура околошовной зоны за счет нагревания и быстрого остывания (быстрое остывание равнозначно закаливанию) совершенно отличается от структуры не подвергавшегося температурному воздействию основного металла, она становится твердой, хрупкой и склонной к растрескиванию.

Особая осторожность требуется тогда, когда скорость остывания увеличивается, например при сварке толстой пластины или крупного соединения, а также при сварке в холодных климатических условиях. Как упоминалось выше, околошовная зона может затвердевать, но ее склонность к затвердеванию меняется в зависимости от марки стали. Околошовная зона более подвержена затвердеванию при увеличении содержания в стали (основном металле) легирующих элементов, особенно углерода С.

На Илл. 4 показано соотношение между углеродным эквивалентом (Ceq.) и твердостью. Очевидно, что околошовная зона затвердевает, и риск образования трещин увеличивается по мере повышения Ceq. Углеродный эквивалент Ceq. — это величина, полученная по формуле для расчета эффекта упрочнения углерода C и других элементов, в которой другие элементы рассчитываются согласно коэффициенту конверсии, установленному по отношению к углероду С. Например, содержание марганца Mn в 0,6% эквивалентно содержанию углерода C в 0,1% для расчета эффекта упрочнения.

Как становится очевидным из этой формулы, углерод C имеет наибольший эффект упрочнения, а кремний Si не имеет такого эффекта в большой мере. Как показано на Илл. 4, риск образования трещин невелик для мягкой малоуглеродистой стали (чей эквивалент Seq. составляет около 0,3%), если толщина пластины небольшая, но стали марки S45C (AISI/SAE 1045,1046), чей эквивалент Ceq. составляет около 0,6%, крайне подвержены образованию трещин из-за большего затвердевания околошовной зоны. Также необходимо обращать внимание на образование трещин при сваривании высокопрочных сталей и низколегированных сталей, содержащих гораздо больше легирующих элементов.

Илл. 4 Максимальная твердость околошовной зоны в зависимости от углеродного эквивалента (при времени остывания от 800 до 500℃: 6 сек, что эквивалентно показателю при условиях сварки 170A × 24V × 150 mm/min для пластины толщиной 20 mm)

ЦЕНТР ОБРАЗОВАНИЯ

  • Основы дуговой сварки
  • Основные принципы Дуговая сварка в среде CO2
  • Сварка среднеуглеродистой / высокоуглеродистой стали и специальных сталей
  • Сварка нержавеющей стали
  • Справочная информация о сварке
  • Учебные пособия по сварке

12 Околошовная зона при стыковой сварке

При стыковой сварке околошовная зона имеет большие размеры вследствие большой длительности нагрева. Свойства металла этой зоны изменяются также в результате термомеханического цикла и зависят от состава металла и предшествующей термической обработки.

В околошовной зоне наблюдаются различные структурные изменения. В зоне, непосредственно прилегающей к стыку, расположены укрупненные зерна, затем следует зона нормализации и частичной перекристаллизации. Около стыка при сварке легированных сталей возможно образование рыхлот, которые располагаются в зоне частичного расплавления более легкоплавких составляющих.

На рис. 20 показано распределение твердости в околошовной зоне, отражающее структурные изменения в этом месте. При сварке закаливающихся сталей в отожженном состоянии (например, стали 45) в околошовной зоне, нагреваемой при сварке выше температуры начала перекристаллизации А с1, повышается твердость и снижается пластичность в результате закалки (рис. 20, а).

Рис. 20. Распределение температуры и твердости в околошовной зоне

при стыковой сварке:

а — отожженной закаливающейся стали; б — той же стали в закаленном и отпущенном состояниях; в — незакаливающейся холоднокатаной стали

При сварке стали в закаленном и отпущенном состоянии на участках околошовной зоны, нагреваемых выше температуры отпуска Тотп, но ниже температуры перекристаллизации, наблюдается местное разупрочнение (рис. 20, б). В плоскости стыка при сварке углеродистых сталей происходит местное снижение твердости вследствие выгорания углерода.

При сварке стали, упрочненной наклепом, в зоне нагрева выше температуры разупрочнения снижается твердость (рис. 20, в). Аналогичное снижение твердости наблюдается и при сварке термически упрочненных алюминиевых сплавов. Местное выравнивание твердости может быть достигнуто последующей термической обработкой.

13 Термопластические деформации

ПРИ СТЫКОВОЙ СВАРКЕ

При стыковой сварке сопротивлением термопластические деформации необходимы для создания электрического контакта между торцами свариваемых деталей к и осадки в завершающей стадии ос.

Деформация к относительно невелика и создается при действии умеренного напряжения, обеспечивающего нагрев без расплавления металла. Это напряжение при осадке низкоуглеродистых сталей достигает 20-40 Мпа. Деформация во время осадки ос более значительна, так как действующее усилие воспринимается уже нагретым металлом.

Пластическая деформация обеспечивает образование физического контакта, выравнивание рельефа и удаление оксидов из стыка. В зависимости от положения в стыке металл деформируется по разным схемам (рис. 21).

Рис. 21. Схема деформации стыка:

х , r и  — эпюры осевых, радиальных и тангенциальных напряжений

В точке А он сжат со всех сторон, в точке Б находится в состоянии двустороннего сжатия и растяжения, в точке В — под действием двустороннего сжатия. Осевое и радиальное ( х , r ) напряжения снижаются по мере приближения к периферии, оставаясь отрицательными (сжимающими), а тангенциальное напряжение  на определенном расстоянии от оси образца становится положительным (растягивающим). Это приводит к раскрытию стыка при осадке.

При стыковой сварке сопротивлением и оплавлением деформированный металл имеет различные очертания.

Несмотря на значительную степень деформации ( кп > 4 ), при стыковой сварке сопротивлением не удается разрушить и удалить все оксиды, и площадь физического контакта в стыке не превышает 50 — 70 %. Дальнейшее увеличение коэффициента площади может привести к потере устойчивости деталей н снижению пластичности соединений, главным образом из-за искривления волокон металлопроката.

При стыковой сварке оплавлением деформация для создания электрического контакта к мала. Она необходима только для создания первоначального контакта. В первой стадии осадки вначале выдавливается расплавленный металл, в затем осуществляется термопластическая деформация, размер которой определяется глубиной кратеров, возникающих при оплавлении. Значение ос возрастает с увеличением глубины кратеров и обычно превышает ее. Величина осадки зависит от давления рос и скорости деформации vос. Для снижения давления осадки повышают vос или выполняют осадку под током (на 20 — 30 % ос), что облегчает термопластическую деформацию.

Скорость осадки оказывает значительное влияние на формирование сварных соединений. При малой скорости увеличивается время закрытия зазора между деталями, место сварки быстрее охлаждается и это затрудняет разрушение и удаление оксидных пленок. Скорость осадки высокотеплопроводных металлов, склонных к окислению, должна быть особенно высокой.

Сварочный ток при осадке необходимо своевременно выключать. Его выключение до закрытия зазора недопустимо, так как приводит к образованию оксидов. Поэтому его выключают в течение первой половины осадки (на 20 — 30 % ос). Задержка выключения приводит к перегреву металла вследствие значительного увеличения силы тока.

Выдавленные при осадке оксиды и металл (грат) удаляются при обработке стыка.

Околошовная зона сварного соединения что это

а) Изменение структуры металла при разогреве и остывании шва при сварке.
Во время сварки температура в области шва равняется температуре плавления металла; поэтому металл околошовной зоны, на­зываемой также зоной термического влияния, проходит весь интервал температур от нормальной рабочей температуры до темпера­туры плавления.

В соответствии с этим, металл в разных областях зоны термического влияния получает при нагревании различные структуры в зависимости от нагрева (см. рис. 6). Остывание небольшой области нагретого металла в околошовной зоне, окруженного большими массами холодного, хорошо теплопроводящего металла, происходит достаточно быстро, поэтому весьма часто в околошовной зоне сохраняется в переохлажденном виде структура, отвечающая температуре нагрева, что приводит к развитию внутренних напряжений, повышению хрупкости (снижению ударной вязкости) и образованию трещин. Поэтому первое мероприятие по повышению качества металла шва и околошовной зоны состоит в замедлении остывания шва, что достигается защитой шва шлаками (при шлакообразуюших электродах), флюсом или защитным газом, а в ряде случаев—искусственным подогревом или отжигом.

Рис. 55.Столбчатые кристаллы металла шва

Быстрое падение температуры металла при остывании шва приводит к сохранению крупных (столбчатых) кристаллов, являющихся типичными для первичной кристаллизации сварного шва (рис. 55).

Крупнозернистость шва можно ослабить вводом в него из соответственно подобранных обмазок электродов или флюсов раскислителей (титана, марганца, кремния и других), увеличивающих число очагов кристаллизации.

б) Образование трещин при остывании шва.

Во время интенсивной кристаллизации остывающий металл шва подвергается значительным натяжениям со стороны очагов кристаллизации; между тем он в это время еще недостаточно прочен, вследствие чего в металле нередко образуются трещины, называемые горячими—по температуре образования (рис. 56).

Рис. 56. Горячие трещины при сварке

Горячие трещины, вначале часто не заметные, обладают способностью увеличиваться, особенно при воздействии динамической нагрузки, и могут полностью разрушить соединение; поэтому они являются весьма опасными. Появление горячих трещин зависит от химического состава стали (в этом отношении особенно неблагоприятны большие количества серы и фосфора), от структуры (крупнозернистая и вообще неоднородная структура менее благоприятна), от скорости отвода тепла, а потому и от фор­мы изделия (так, крестовое и тавровое сечения, отводящие тепло по не­скольким направлениям, менее благоприятны, чем простое соединение листов встык). Опасность появления горячих трещин уменьшается при легировании и, следовательно, зависит от марки покрытий электродов; в этом отношении полезны марганец (связывающий серу), ванадий, титан. Низколегированные стали вообще менее страдают от горячих трещин; весьма благоприятна сталь 3 спокойная. Зато в стали 3 кипящей трещины появляются достаточно часто, причем с повышением количества углерода опасность появления горячих трещин увеличивается. Всякие концентраторы напряжений, как, например, непровар в корне шва или сварка при низких температурах способствуют появлению горячих трещин. Возможность появления горячих трещин является основной причиной, требующей применения в ответственных сварных конструкциях спокойной стали.

Во время остывания в металле шва и околошовной зоны, нагретом выше 900°, начинает при температуре 900° происходить фазовое превращение аустенита в феррит и перлит. Это связано с уменьшением величины зерна, так как из одного зерна аустенита может образоваться несколько зерен феррита и перлита (вторичная кристаллизация). Как было уже отмечено в § 3 главы II, переход аустенита в феррит связан с увеличением объема, нарушающим нормальный закон остывания (уменьшение объема); вследствие этого появляется значительная неравномерность деформаций в смежных точках, что может служить причиной появления трещин.

При достаточно медленном остывании аустенит переходит в нормальную феррит перлитовую структуру, но в неблагоприятных условиях, при быстром остывании (хотя бы при отрицательной внешней температуре), переохлажденный аустенит при температуре ~250° может перейти в мартенсит — весьма хрупкую модификацию феррита с включением атома углерода. Мартенсит весьма склонен к образованию трещин; эти трещины располагаются параллельно шву на некотором расстоянии от него, в области сравнительно низких температур. Такие трещины, называемые холодными, наиболее свойственны кипящей стали. Содержание углерода в стали выше 0,2% также способствует появлению холодных трещин. Таким образом, в околошовной зоне мы имеем несколько опасных областей, где возможно появление трещин.


в) Распределение температуры в металле при сварке.

Сварка при низких температурах. Протяженность околошовной зоны (зоны термического влияния) зависит от количества тепла, вводимого электрической дугой (т. е. от силы тока), и скорости сварки. В соответствии с законами теплопроводности по мере удаления от источника тепла (дуги) температура свариваемого изделия уменьшается по вогнутой кривой (рис. 57). Дуга—подвижный источник тепла, оставляющий за собой остывающий горячий сварной шов; в соответствии с этим за дугой происходит более медленное остывание, чем нагревание металла перед дугой, и изотермы термического влияния дуги представляют собой выгнутые, эксцентрично расположенные кривые (рис. 57). Чем скорость сварки больше, тем кривые изотерм более узки и остывание в поперечном направлении происходит более интенсивно (рис. 58); если при этом большая скорость сварки не компенсируется повышенной силой тока, возможно образование вышеуказанных хрупких областей и появление параллельных шву трещин. Низкие отрицательные температуры увеличивают интенсивность остывания и усугубляют возможность хрупкого разрушения, тем более, что при низких температурах склонность стали к хрупкому излому вообще повышается. Однако сварка хорошего качества при низких температурах (—30°) вполне возможна, что доказывается широким применением сварки и в зимнее время.

Рис. 57. Изменение температуры основного металла при сварке (изотермы) при движении электрода вдоль шва со скоростью 0,1 м/сек

Для сварки при низких температурах необходимо иметь:

а) металл с малым содержанием серы, фосфора и углерода (не более 0,2%), лучше спокойной плавки;

б) соответствующий и тщательно разработанный технологический процесс сварки с применением качественных электродов (в требуемых случаях с искусственным подогревом), гарантирующий отсутствие непроваров;

в) конструктивную форму изделия, в которой не было бы концентрации швов и связанных с этим больших сварочных напряжений.

Весьма существенное значение имеет тщательное выполнение кромок изделий без надрезов и других мест концентрации напряжений. Большинство повреждений сварных конструкций при низких температурах во время сварки или после сварки связано с концентрацией напряжений у надрезов металла и непроваров, а также с появлением холодных трещин.

Сварка при низких температурах отражается на механических характеристиках сварного соединения: существенно снижаются ударная вязкость (рис. 60) и угол загиба; предел прочности остается без изменения. Структура металла при этом часто получается переохлажденной.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *