Особенности металлургии сварки. Применение при сварке мощных высококонцентрированных и высокотемпературных ис точников теплоты приводит к местному расплавлению основного и присадочного металлов и образованию сварочной ванны. На­грев основного и присадочного металлов до расплавления, их последующее охлаждение и затвердевание сопровождаются фазо­выми переходами в веществе. При сварке плавлением имеет ме­сто взаимодействие между жидким и твердым металлами, газом и жидким шлаком.

Высокая температура нагрева расплавленного металла, ма­лый объем сварочной ванны и ее перемешивание, значительная скорость процесса, интенсивный отвод теплоты в околошовную зону и окружающую атмосферу, быстрая кристаллизация сва­рочной ванны усложняют получение сварного шва с заданными физико-механическими свойствами, которые предопределяются химическим составом металла шва и его структурой.

Химический состав металла шва и его свойства зависят от состава и доли участия в формировании шва основного и приса­дочного металлов, покрытия и флюсов, степени защиты от возду­ха, приемов ведения и режимов сварки. Металл шва образуется в результате перемешивания в сварочной ванне основного и при­садочного металлов и реакций взаимодействия нагретого метал­ла с газами атмосферы и защитной средой.

Одной из серьезных задач при сварке плавлением является защита сварочной ванны ст вредного воздействия воздуха г. предотвращение попадания в металл шва вредных веществ (вла­ги, ржавчины, минеральных масел и других загрязнений) Высо­кая температура источника нагрева и объекта теплового воздей­ствия значительно ускоряет физико-химические процессы в зоне сварки. Кислород, азот и водород переходят в атомарное состоя­

ние и более интенсивно взаимодействуют с расплавленным ме­таллом. Кислород является наиболее вредной примесью, и его повышенное содержание в сварном шве приводит к понижению прочности, пластичности, вязкости и антикоррозионных свойств последнего.

С железом кислород образует три вида оксидов: FeO, ИегОз и Fe304. Наиболее отрицательное воздействие оказывает FeO, который хорошо растворяется в расплавленном металле шва, по­вышая его порог хладноломкости — температуру, при которой металл теряет пластичность. Для швов с повышенным содержа­нием FeO этот порог составляет —(10...15) °С.

Азот, попадающий в зону сварки главным образом из возду­ха, растворяется в большинстве конструкционных материалов и со многими элементами образует называемые нитридами соеди­нения, снижающие пластичность и повышающие твердость ме­талла шва

На степень насыщения металла шва азотом оказывают влия­ние режимы сварки и охлаждения. С увеличением силы тока и дугового промежутка содержание азота уменьшается. Медленное охлаждение шва способствует удалению из него газообразного азота.

Водород поступает в зону сварки из атмосферной влаги, а также из влаги, содержащейся в покрытиях электродов, флю­сах, ржавчине на кромках заготовок; он растворяется в боль­шинстве металлов Железо, никель, кобальт, медь и некоторые другие металлы не вступают в соединение с водородом, а титан, ванадий, тантал, ниобий и другие образуют с ним химические соединения — гидриды.

Атомарный водород, растворяясь з жидком металле, может оставаться в этом состоянии до тех пор, пока температура дости­гает ~200°С. В интервале температур 200...20 °С водород пере­ходит из атомарного состояния п молекулярное, вызывая при этом значительные внутренние напряжения и, как следствие, образование флокенов — трещин, представляющих собой в изло­ме светлые округлые пятна, напоминающие хлопья снега. Гидри­ды и флокены снижают прочность, вязкость и пластичность шва.

Для защиты сварочной ванны от вредного воздействия воз­духа используют флюсы, покрытые электроды, порошковую про­волокут При их расплавлении образуется шлак, который, расте­каясь по поверхности металла, играет роль защитного слоя.

Сера попадает в сварочную ванну из флюсов либо из основ­ного или электродного метал. та; соединяясь с железом, она обра­зует сульфид железа FeS. Соединение последнего с железом при кристаллизации сварочной ванны приводит к возникновению эв­тектики (FeS—Fe) с температурой плавления 988 °С Обладая малой растворимостью в жидкой стали, эвтектика группируется в колонии, располагающиеся между зернами и проходящие цикл кристаллизации значительно позже основного металла шва. П( д воздействием внутренних напряжений происходит образование горячих трещин.

Попадающий в сварочную ванну из флюсов или диффундиру­ющий из основного металла фосфор, растворяясь в зернах фер­рита, подобно оксиду железа FeO, резко повышает температуре перехода в хрупкое состояние — вызывает хладноломкость стали.

Для уменьшения содержания в шве водорода пользуются рядом практических приемов: электроды и флюсы перед сваркой тщательно прокаливают; кромки свариваемых заготовок и сва­рочную проволоку очищают от влаги, грязи и ржавчины; швы выполняют за минимальное число проходов, так как при наложе­нии последующего шва предыдущий шов в момент вторичного расплавления насыщается водородом; при выполнении сварочных операций на открытой площадке обеспечивают защиту зоны сварки от атмосферных осадков; сварку ответственных конструк­ций выполняют только при положительных температурах.

Раскисление, рафинирование и легирование сварочной ванны. Зашита сварочной ванны шлаками не обеспечивает полного пре­дохранения металла от насыщения кислородом и образования оксидов. Раскисление металла сварочной ванны произво­дят с целью удаления из нее химическим путем главным образом оксида железа FeO. Осуществляют операцию с помощью марган­ца, кремния, титана либо алюминия, которые специально вводят в состав флюсов или покрытий электродов. Раскислителями яв­ляются и чистые металлы, и ферросплавы. В результате раскис­ления образуются соединения (МпО, Si02, ТЮ2, А1203), нерас­творимые в расплавленном металле шва и переходящие в шлак

FeO -}- Мп Fe — МпО 2FeO + Si 2Fe + Si02 2FeO + Ті -> 2Fe - f- Ті02 3FeO - f 2A1 3Fe 4- A1203

Операцию по удалению сульфитов, фосфидов, нитридов и во­дорода, осуществляемую также химическим путем, называют рафинированием. Для уменьшения в шве количества серь в покрытия и флюсы вводят марганец и известь СаО, образую­щие прочные практически нерастворимые в жидком металле сульфиты, полностью переходящие в шлак:

FeS — Мп Fe 4- MnS

FeS 4- СаО -* FeO — CaS, FeO - j - Mn -> Fe 4- MnO

Фосфор присутствует в стали в виде фосфидов железа Fe3P и РегР, удаляемых при раскислении:

2Fe3P + 5FeO 1 IFe + Р205 2Fe, P + 5FeO - v 9Fe + P205

Неметаллические включения удаляют из металла шва флюса­ми-растворителями, специально вводимыми в состав флюсов, по­крытий электродов и сердечников порошковой проволоки, Про­дукты их взаимодействия с включениями образуют легкоплавкую механическую смесь, имеющую невысокую плотность. Наиболее часто в качестве флюса-растворителя используют плавиковый шпат СаИг, который одновременно позволяет уменьшить содер­жание атомарных азота и водорода, растворенных в металле сварочной ванны.

Атомарный фтор, выделяющийся из фтористого кальция CaF2, при высокой температуре вступает в химическую реакцию с атомарным азотом или водородом, образуя фто­ристый азот (фтористый водород), переходящий из металла в шлак или атмосферу.

Легированием называется введение спе­циальных, так называе­мых легирующих элемен­тов в основной металл с целью получения заданных служебных свойств последнего. При легировании металла сварочной ванны в элек­тродный или присадоч­ный металл вводят хром, никель, ванадий, молибден, вольфрам, титан, бор и др.

Кристаллизация металла при сварке. Различают первичную и вторичную кристаллизации. Переход металла сварочной ванны из жидкого состояния в твердое называется первичной кри­сталлизацией. Первичная кристаллизация металла свароч­ной ванны начинается от частично оплавленных зерен основного или ранее наплавленного металла и продолжается по нормали от линии расплавления (рис. 3.3)

Вторичная кристаллизация происходит после за­вершения первичной и характеризуется сменой кристаллических решеток (полиморфные превращения) и изменением структуры.

Вторичная кристаллизация характерна только для металлов, ис­пытывающих полиморфные превращения (железо, кобальт, титан, марганец и др.). Решающее влияние на характер протекания по - диморфных превращений оказывает скорость охлаждения. Чем тоньше слой шлакового покрытия и ниже температура окружаю­щей среды, тем выше скорость охлаждения и вероятность обр - зования внутренних напряжений и трещин.

Строение сварного соединения. Соединение, вьіполняемі є сваркой плавлением, состоит из четырех зон: наплавленного ме­талла; сплавления; термического влияния; основного метал а (рис. 3.4).

ке стали:

А — зона наплавленного металла, Б — зона сплавления. В — зона терм ческого влияния. Г — зона основного металла

Зона наплавленного металла представляет собої перемешанный в жидком состоянии с основным металлом мате риал электрода или присадочной проволоки.

Зона сплавления — это слой основного металла тол шиной 0,1...0,4 мм с частично оплавленными зернами. Перегре металла в этой зоне приводит к образованию игольчатой струн-

туры, отличающейся хрупкостью и пониженной прочностью, и оказывает значительное влияние на свойства соединения в целом.

Зона термического влияния состоит из четырех участков (1...4), различающихся структурой. Участок перегрева / —область основного металла, нагретого до 1100... 1450 °С и имеющего крупнозернистую структуру с площадью поверхности зерна, до 12 раз превышающую площадь исходных зерен. Пере­грев снижает механические свойства металла, главным образом пластичность и вязкость. Разрушение сварного соединения обыч­но происходит по этому участку, ширина которого достигает 3...4 мм.

Участок нормализации 2 — область основного металла, на­гретого до 900...1100 °С. Благодаря мелкозернистой структуре механические свойства металла на этом участке выше по сравне­нию с основным металлом. Ширина участка составляет I...4 мм.

Участок неполной перекристаллизации 3 — область основно­го металла, нагретого до 725...900 °С; состоит из мелких и круп­ных зерен. Неравномерное кристаллическое строение приводит к снижению механических свойств

Участок рекристаллизации 4 — область основного металла, нагретого до 450...725 °С. При этих температурах происходит вос­становление формы зерен, деформированных в результате пре­дыдущего механического воздействия (при прокатке, штамповке и др.). Ширина зоны термического влияния зависит от удельной энергии е3, введенной в заготовку, и вида сварки (например, при ручной дуговой сварке качественными электродами она состав­ляет 5...7 мм).

Зона основного металла условно начинается от границы с температурой 450 °С. Структура при температурах ниже 450 °С не отличается от структуры исходного металла, од­нако сталь, нагретая до температур 200...400 °С, обладает худши­ми механическими свойствами, что объясняется выпадением по границам зерен оксидов и нитридов, ослабляющим связь между зернами. Это явление, вызывающее понижение пластичности и ударной вязкости при одновременном повышении прочности ме­талла, называется синеломкостью (характерны синие цвета по­бежалости).

Свариваемость металлов и сплавов. Под свариваемо­стью понимают способность материалов образовывать соедине­ния, механические и другие эксплуатационные свойства которых находятся на уровне основного материала. Свариваемость может быть оценена конкретными количественными характеристиками. В зависимости от назначения и условий эксплуатации конструк­ции определяют: склонность к образованию горячих и холодных трещин в металле шва и зоне термического влияния; склонность к образованию пор; механические свойства; коррозионную стой­кость; структуру; химический состав и другие свойства. Свари­ваемость определяется не только свойствами материала — она зависит от способа и режима сварки, состава сварочных мате­риалов, конструктивного оформления сварного узла, условий эксплуатации изделия. Различают физическую, технологическ ю и эксплуатационную свариваемость.

Физическая свариваемость определяется процессами, проис­ходящими на границе соприкосновения свариваемых заготовок при различных физико-химических методах соединения металлов (физический контакт, химическое взаимодействие, рекристалли­зация и др.).

Под технологической свариваемостью понимают возмож­ность получения сварного соединения определенным способом сварки. Технологическая свариваемость влияет на выбор пара­метров режима сварки и технологическую последовательность выполнения работ.

Под эксплуатационной свариваемостью понимают условия допустимого применения материалов в сварных конструкциях и сварных изделиях.

Трещины в сварных соединениях. В зависимости от темпера­туры, при которой они образуются, трещины условно подразде ляют на горячие и холодные. Горячие трещины в сталях возни­кают при температуре, превышающей 1000 °С, а холодные—при более низкой. Трещины являются самым серьезным дефектом сварного соединения, как правило, не подлежащим устранению

Горячие трещины — это хрупкие межкристаллические разрушения металла шва и околошовной зоны, возникающие в твердо-жидком состоянии в процессе кристаллизации, а также при высоких температурах в твердом состоянии. По современным представлениям горячие трещины вызываются действием дву факторов: наличием жидких прослоек между зернами в процесс^ кристаллизации и деформациями укорочения. При кристаллизе ции жидкий металл шва последовательно переходит в жидк( твердое, твердо-жидкое и твердое состояния.

В интервале температур плавления и полного затвердевани происходит миграция примесей и загрязнений в межзеренны пространства. Наличие между зернами жидкой фазы, примесег и загрязнений снижает деформационную способность шва и ок лошовной зоны. Неравномерность линейной и объемной усадо шва и основного металла при охлаждении приводит к возникно­вению внутренних напряжений, являющихся причиной появления

микро - и макроскопических трещин как вдоль, так и поперек шва (рис. 3.5).

Причинами образования горячих трещин при сварке являют­ся следующие: большое количество вредных примесей (особенно серы и фосфора) в металле свариваемых заготовок; наличие в

Рис. 3.5. Топография горячих трещин в сварных соединениях: /, 2 — продольные в зоне термического вли­яния и шве, 3 — поперечные в зоне термиче­ского влияния

металле шва элементов, образующих химические соединения с низкой температурой затвердевания (хром, молибден, ванадий, вольфрам, титан), нарушающие связь между зернами; жесткое закрепление свариваемых заготовок или повышенная жесткость самого сварного узла, затрудняющие перемещение заготовок при остывании.

Холодные трещины — это локальные меж - или транс­кристаллические разрушения сварных соединений, образующиеся в металле при остывании до относительно невысоких температур (как правило, ниже 200 °С) или при вылеживании готового изде­лия. Наиболее часто они поражают околошовную зону и реже — металл шва.

Для предупреждения образования холодных трещин приме­няют следующие технологические приемы: прокаливание флюсов и электродов перед сваркой; предварительный подогрев свари­ваемых заготовок до 250...450 °С; ведение процесса сварки в ре­жиме с оптимальными параметрами; наложение шзов в правиль­ной последовательности; медленное охлажден»; изделия после сварки; проведение непосредственно после сварки смягчающего отжига для снятия остаточных сварочных напряжений.

Термическим способом широко пользуются для снятия оста­точных сварочных напряжений в изделиях из углеродистых и лс-

1.3. Температура снятия напряжений в стальных сосудах, работающих под давлением, после сварки плавлением

Сталь	Температуря снятия напря­жения, °С
Низкоуглеродистая	580. .	.650
Углеродистая с марганцем	еог.	.65.)
Углеродистая с 0,5 % молибдена	620..	.660
Легированная: с 1 % хрома и 0,5 % молибдена	620. .	.660
с 2,25 % хрома и 1 % молибдена	660..	.700
с 5 % хрома и 0,5 % молибдена	700..	.740
с 3,5 % никеля	500..	.620

тированных сталей. Он основан на уменьшении предела текуче­сти металла с ростом температуры. При общем нагреве изделия до заданных температур (табл. 3.3) остаточные растягивающие напряжения перераспределяются за счет местных пластических деформаций, уменьшая вероятность образования холодных тре­щин.