Структура сварных соединений


Кристаллизация сварного шва протекает в условиях, когда средняя скорость кристаллизации равна скорости сварки. Процесс первичной кристаллизации начинается после продвижения дуги вдоль шва и прекращения её действия на данный участок сварочной ванны. Жидкий металл кристаллизуется в направлении, обратном отводу тепла в основной металл, т.е. от стенок ванны к центру. По границам расплавления образуются общие кристаллиты основного и наплавленного металла, что обеспечивает их сплошность и прочностную связь.

Первичная кристаллизация протекает быстро в связи с интенсивным охлаждением расплавленного металла и заканчивается для низкоуглеродистой стали с понижением температуры момента начала кристаллизации всего на 20-30 ?С. Это соответствует температуре 1510-1480 ?С.
После окончания первичной кристаллизации металл приобретает аустенитную структуру в пределах первичных столбчатых кристаллитов. При дальнейшем понижении температуры структурные изменения в стали не наблюдаются (для низкоуглеродистой стали) до 850-900 ?С, после чего начинаются последующие структурные изменения, называемые вторичной кристаллизацией. В металле шва и прилегающем к нему основном металле они проходят также в небольшом температурном интервале, начиная примерно с 850-900 ?С до 723?С, после чего сталь приобретает постоянную микроструктуру (исследованную под микроскопом). Для металла шва, особенно многослойного, характерны мелкозернистая структура и равномерное распределение зёрен феррита (Fe, содержащего не более 0,07%С) и перлита (раствор карбида железа в Fe). Прилегающий к шву участок основного металла, не подвергавшийся расплавлению, структура и свойства которого изменились в результате нагрева при сварке или наплавке, называют зоной термического влияния при сварке. Эта зона имеет несколько участков с различной структурой и свойствами.
• Участок зоны сплавления; здесь происходит сварка – формирование кристаллитов, соединение основного металла и металла ванны; свойства этой зоны сплавления часто определяют качество сварного соединения, включает в себя участок неполного расплавления и наплавленного металла.
• Участок перегрева, подвергавшийся нагреву до температуры 1100-1400 ?С, имеет крупнозернистую структуру и при повышенной погонной энергии в стали с увеличенным содержанием углерода может стать причиной низкой пластичности и вязкости сварного соединения.
• Участок (нормализации) перекристаллизации, подвергавшийся воздействию температур 850-1100?С. Эта температура благоприятно влияет на образование мелкого зерна, что обеспечивает высокие механические свойства участка.
• Участок неполной перекристаллизации, подвергавшийся воздействию температур 720-850?С, характеризуется частичным появлением новых зёрен в основном металле.
• Участок старения при рекристаллизации, подвергавшийся воздействию температур 450-700?С. Здесь происходит рост зёрен феррита из их раздробленных частей (рекристаллизация), полученных при пластической деформации металла, и процесс старения, заключающийся в выделении избыточного C и N в виде нитридов и карбидов вокруг решётки стали, что сопровождается повышением прочности и снижением пластичности. При сварке литых сплавов, не подвергавшихся пластической деформации, этот участок отсутствует.
• Участок синеломкости, подвергавшийся нагреву до 100-450 ?С, не имеет заметных структурных изменений, однако при сварке низкоуглеродистой стали, содержащей повышенный процент газов (O2, N2, H2), наблюдается на этом участке выделение их избытка в структурную решётку металла, что также повышает прочность, но снижает пластичность и вязкость металла.
В зависимости от мощности источника тепла, степени его концентрированности и скорости движения, длительность нагрева и охлаждения зоны термического влияния изменяются от долей секунды до нескольких минут. Таким же образом меняется её ширина – от 1-3 мм при ручной дуговой и до 10-20 мм при электрошлаковой сварке.
Зона термического влияния ЗТВ характеризуется неравномерным распределением максимальных температур нагрева. В этой зоне можно различать участки (?С): старения 200-300; отпуска 250-650; неполной перекристаллизации примерно 700-870; нормализации 840-1000; перегрева 1000-1250 и околошовный участок – несколько рядов зёрен, непосредственно примыкающих к линии сплавления, от 1250 до температуры плавления. На этом участке наиболее резко изменяется структура металла, понижающая качество сварного соединения.
В период нагрева стали в интервале от 700 до 900 ?С феррит и перлит превращаются в аустенит. При температуре около 1000?С начинаются интенсивный рост зерна аустенита и его гомогенизация. Размер зерна аустенита (средний диаметр) на околошовном участке сотавляет: при ручной дуговой сварке 0,1-0,15 мм; при однопроходной сварке под флюсом сталей толщиной 15-20 мм – 0,2-0,3 мм; при электрошлаковой сварке сталей больших толщин (100-200 мм) – 0,4-0,8 мм. На других участках зоны термического влияния размер зерна постепенно уменьшается, приближаясь к минимальному в зоне температур, близких к 900 ?С.
В зависимости от вида сварки и погонной энергии возможны два предельных случая: резкая закалка при быстром охлаждении околошовного участка или перегрев при медленном охлаждении. Скорость охлаждения оценивается в интервале наименьшей устойчивости аустенита (600-500?С). При малых скоростях охлаждения (электрошлаковая сварка) превращение начинается с возникновения феррита и заканчивается возникновением перлита.
При средних скоростях охлаждения (автоматическая сварка под флюсом) образуются перлит и бейнит. При большой скорости охлаждения образуется бейнит и мартенсит.
В случае полного мартенситного превращения происходит резкое повышение внутренних напряжений. При этом могут возникнуть зародыши трещин на границах зёрен. Трещины постепенно раскрываются под влиянием остаточных сварочных напряжений в течение минут, часов и даже суток после сварки (замедленное разрушение).