ВВЕДЕНИЕ .
Сварочная металлургия отличается от других металлургических процессов высокими температурами термического цикла и малым временем существования сварочной ванны в жидком состоянии , т. е. в состоянии , доступном для металлургической обработки металла сварного шва . Кроме того ,специфичны процессы кристаллизации сварочной ванны , начинающиеся от границы сплавления , и образования изменённого по своим свойствам металла зоны термического влияния.
В своей работе я отразил сущность лишь основных и наиболее общих процессов, происходящих в металле при сварке , хотя постарался изложить их как можно подробней и интересней .
ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ СВАРКИ .
Сварка сопровождается комплексом одновременно протекающих процессов , основными из которых являются : тепловое воздействие на металл в зоне термического влияния , термодеформационные плавления , металлургической обработки и кристаллизации металла в объёме сварочной ванны в зоне сплавления .
Физическая свариваемость характеризует принципиальную возможность получения монолитных сварных соединений и главным образом относится к разнородным металлам .
В процессе сварки имеет место непрерывное охлаждение . Характер структурных превращений при этом отличается от случая распада аустенита при изотермической выдержке . При непрерывном охлаждении значение инкубационного периода в 1.5 раза больше , чем при изотермическом . С увеличением скорости охлаждения получаемая структура в зоне изотермического влияния измельчается , твёрдость её повышается . Если скорость охлаждения превышает критическую скорость , образование структур закалки неизбежно .
Закалённые структуры в аппаратостроении являются крайне нежелательными : отличаются высокой твёрдостью , хрупкостью , плохо обрабатываются , склонны к образованию трещин .
Если скорость охлаждения ниже критической скорости , образование закалочных структур исключается . В зоне термического влияния наиболее желательными являются пластичные , хорошо обрабатываемые структуры типа перлита или сорбита . Поэтому получение качественных соединений непременно связано с достижением желаемых структур в основном регулированием скорости охлаждения .
Подогрев способствует перлитному превращению и является действенным средством исключения закалочных структур . Поэтому он служит в качестве предварительной термической обработки сварных соединений (нагрев до сварки и в процессе её ) . Меняя скорость охлаждения , можно получить желаемую твёрдость в зоне термического влияния .
В некоторых случаях появляется необходимость увеличения скорости охлаждения . Путём ускоренного охлаждения удаётся измельчить зерно , повысить прочностные свойства и ударную вязкость в зоне термического влияния . С этой целью находит применение метод сопутствующего охлаждения . Сварное соединение в процессе сварки с обратной стороны дуги охлаждается водой или воздушной смесью , что способствует получению крутой ветви скорости охлаждения.
Технологическая прочность сварного шва .
Термин “Технологическая прочность” применяется для характеристики прочности конструкции в процессе её изготовления . В сварных конструкциях технологическая прочность лимитируется в основном прочностью сварных швов . Это один из важных показателей свариваемости стали .
Технологическая прочность оценивается образованием горячих и холодных трещин .
1. Горячие трещины .
Это хрупкие межкристаллические разрушения металла шва и зоны термического влияния . Возникают в твёрдо-жидком состоянии на завершающей стадии первичной кристаллизации , а так же в твёрдом состоянии при высоких температурах на этапе преимущественного развития межзернистой деформации .
Наличие температурно- временного интервала хрупкости является первой причиной образования горячих трещин . Температурно- временной интервал обуславливается образованием жидких и полужидких прослоек , нарушающих металлическую сплошность сварного шва . Эти прослойки образуются при наличии легкоплавких , сернистых соединений (сульфидов ) FeS с температурой плавления 1189 С и NiS с температурой плавления 810 С . В пиковый момент развития сварочных напряжений по этим жидким прослойкам происходит сдвиг металла , перерастающего в хрупкие трещины .
Вторая причина образования горячих трещин - высокотемпературные деформации . Они развиваются вследствие затруднённой усадки металла шва , формоизменения свариваемых заготовок , а так же при релаксации сварочных напряжений в неравновесных условиях сварки и при послесварочной термообработке , структурной и механической концентрации деформации.
2. Холодные трещины .
Холодными считают такие трещины , которые образуются в процессе охлаждения после сварки при температуре 150 С или в течении нескольких последующих суток . Имеют блестящий кристаллический излом без следов высокотемпературного окисления .
Основные факторы , обуславливающие появление холодных трещин следующие:
а) Образование структур закалки ( мартенсита и бейнита ) приводит к появлению дополнительных напряжений , обусловленных объёмным эффектом .
б) Воздействие сварочных растягивающих напряжений .
в) Концентрация диффузионного водорода .
Водород легко перемещается в незакалённых структурах . В мартенсите диффузионная способность водорода снижается : он скапливается в микропустотах мартенсита , переходит в молекулярную форму и постепенно развивает высокое давление , способствующее образованию холодных трещин . кроме того , водород , адсорбированный на поверхности металла и в микропустотах , вызывает охрупчивание металла .
Углеродистые стали : сварка и сопутствующие ей процессы .
Сплавы Fe и С , где процентное содержание углерода не превышает 2,14 % , называют углеродистыми сталями . Углерод оказывает сильное влияние на свойства сталей . Наличие других элементов обусловлено :
1. Технологическими особенностями производства - Mn , Si - для устранения вредных включений закиси железа , FeO и FeS .
Вокруг оторочки сернистого железа , начиная с 985 С , происходит оплавление , что ведёт к снижению технологической прочности сварного шва . Температура плавления MnS составляет 1620 С , кроме того , он пластичен .
2. Невозможностью полного удаления из металла ( S, P, N , H )
3. Случайными причинами ( Cr , Ni , Cu и другие редкоземельные металлы )
Углеродистые стали составляют основную массу сплава Fe-C , до 95 % аппаратуры и оборудования изготавливают из этих сталей .
В отечественной промышленности наиболее широко применяют стали с содержанием углерода до 0,22 % , редко от 0,22 до 0,3 % .
Структурно -фазовые превращения углеродистых сталей определяются диаграммой состояния Fe-C . В нормализованном состоянии имеют феррито- перлитную структуру . С точки зрения кинетики распада аустенита , у углеродистых сталей происходит превращение аустенита в перлит ( второе основное превращение).
В зависимости от температуры охлаждения , степени переохлаждения , скорости охлаждения феррито- цементитной смеси получается различной степени дисперсионный перлит , сорбит , бейнит , троостит .
Низколегированные стали повышенной прочности.
К низколегированным относят стали , содержащие в своём составе до 2 % легирующих элементов каждого в отдельности и до 5 % суммарно ( Mn , Si , Cr , Ni ). Содержание углерода , как и у углеродистых сталей не превышает 0,22 % . Содержание S и P в низколегированных сталях такое же , как в качественных сталях.
При сварке , кинетика распада аустенита такая же , как и углеродистых сталей . При охлаждении на воздухе получается феррито- перлитная структура . Поэтому низколегированные стали повышенной прочности относят к хорошо свариваемым сталям .
Однако легирующие элементы существенно снижают критическую скорость охлаждения . При содержании в верхнем пределе и высоких скоростях охлаждения возможно подавление перлитного превращения и появления промежуточных и закалочных структур .
При уменьшении погонной энергии сварки и увеличении интенсивности охлаждения в металле шва и зоне термического влияния возрастает вероятность распада аустенита с образованием закалочных структур . При этом будет увеличиваться вероятность образования холодных трещин и склонность к хрупкому разрушению .
При повышенных погонных энергиях наблюдается рост зерна аустенита и образуется грубозернистая феррито- перлитная структура видманштетового типа с пониженной ударной вязкостью .
Выбор тепловых режимов в основном преследует цель недопущения холодных трещин . Одним из самых технологичных средств , снижающих вероятность появления трещин , является подогрев . Температура подогрева определяется в зависимости от эквивалента углерода и толщины свариваемого проката . Необходимая температура подогрева возрастает с увеличением легированности стали и толщины свариваемого проката .
Низколегированные стали жаропрочные перлитные .
Хромомолибденовые стали 12МХ , 12ХМ , 15ХМ предназначены для работы в диапазоне температур -40... +560 С . В основном используются при температурах +475...+560 С . Их применение обусловлено низкой стоимостью и достаточно высокой технологичностью при изготовлении сварных конструкций и производстве отливок , поковок .
На участках , нагретых выше точки Ас(3) , возможно образование мартенсита и троостита . Реакция стали на термический цикл сварки характеризуется разупрочнением в зоне термического влияния в интервале температуры Ас(3) - Т (0), который объясняется процессами отпуска . Протяжённость разупрочненного участка увеличивается про больших значениях погонной энергии сварки .
Мягкая разупрочненная прослойка может явиться причиной локальных разрушений сварных соединений в процессе эксплуатации , особенно при изгибающих нагрузках .
Устранение разупрочнения осуществляется последующей термической обработкой с фазовой перекристаллизацией в печах ( объёмная термическая обработка ) .