Особенности металлургических процессов, протекающих при сварке плавлением

Лекция 6.

Раздел 4. СВАРОЧНОЕ ПРОИЗВОДСТВО.

Сварка – производительный и универсальный технологический процесс получения неразъемных соединений. Он находит широкое применение во всех отраслях промышленности. Сварка – процесс получения неразъемных соединений посредством установления межатомных связей между соединяемыми частями.

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОЛУЧЕНИЯ СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ

Основы процесса соединения двух металлов.

Всякое твердое или жидкое тело представляет собой систему атомов, ионов или молекул, связанных между собой внутренними силами притяжения. Для соединения двух твердых тел с получением общего монолита необходимо установить между их поверхностными атомами непосредственную связь, т.е. сблизить их на расстояния, сопоставимые с величиной параметра кристаллической решетки. При этом надо преодолеть энергетический барьер потенциальной энергии системы атомов поверхностных слоев (необходимо затратить дополнительную энергию - энергию активации поверхности). В зону сварки такую энергию можно внести различными способами:

в виде теплоты (термическая активация);

в виде упруго – пластической деформации (механическая активация);

в виде электронного или ионного облучения (радиационная активация).

При сварке разнородных металлов и сплавов возможны три варианта сварного шва;

1 - соединяемые металлы образуют непрерывные твердые растворы (Fe – Ni, Fe – Cr, Ni – Zn …). При этом совместная кристаллизация обеспечивает установление межатомных связей не только внутри кристалла, но и по границам зерен.

2 - соединяемые металлы имеют ограниченную растворимость друг в друге (Fe – Cu, Cu – Zn …). В этом случае возрастает роль связей между отдельными кристаллами (межкристаллитных связей).

3 - соединяемые металлы практически не растворяются друг в друге (Ft – Pb, Fe – Mg …). При этом связь может устанавливаться только по границам кристаллов.

Различают два вида сварки:

– сварку плавлением;

– сварку давлением.

При сварке плавлением расплавляют кромки заготовок. В результате образуется общая сварочная ванна расплавленного металла. После застывания образуется сварочный шов.

При сварке давлением заготовки соединятся путем совместной пластической деформации поверхностей. В процессе деформаций сминаются микронеровности, разрушаются и удаляются окисные пленки, обеспечивается плотный контакт между заготовками и условия для действия межатомных сил. Для снижения сопротивления деформации, зону сварки обычно нагревают.

Особенности металлургических процессов, протекающих при сварке плавлением

В процессе сварки плавлением, в сварочной ванне, за короткий промежуток времени, происходят сложные процессы взаимодействия различных внешних и внутренних компонентов. Материалы заготовок и дополнительный материал, вносимый в сварочную ванну, состоят из основного металла, легирующих элементов, растворенных газов и посторонних включений. Эти элементы взаимодействуют друг с другом, с газами атмосферы, с жидким металлом сварочной ванны, с материалом покрытий и шлаковой ванны. В результате химический состав и свойства сварного шва могут значительно отличаться от химического состава и свойств металлических компонентов сварочной зоны.

Кристаллизация металла сварного шва начинается с частично оплавленных зерен основного металла заготовок располагаемых на границах зоны расплавления. К решетке этих зерен присоединяются атомы кристаллизующейся фазы. После завершения кристаллизации, в зоне расплавления образуются зерна, частично состоящие из металлов заготовок и металла шва. Этот процесс обеспечивает сварное соединение.

При перемещении сварочной ванны вдоль кромок заготовок в передней части сварочной ванны происходит оплавление металлов, а в задней - кристаллизация, что обеспечивает формирование сварного шва. Кристаллизация сварного шва отличается от кристаллизации слитков высокой концентрацией источника тепла и высокой скоростью охлаждения. Поэтому, шов неоднороден по размеру и химическому составу зерен. В верхней части шва образуются более крупные кристаллы ветвистой формы (дендритное строение). В нижней части – более мелкие кристаллы удлиненной формы (транскристаллитное строение). Шов имеет слоистую структуру.

В сварном соединении можно выделить три зоны с различной микроструктурой:

– зону основного металла;

– зону термического влияния (рис. 14.1);

– зону наплавленного металла сварного шва.

В зоне термического влияния (з.т.в.) можно выделить 6 участков.

Рис. 14.1. Строение зоны термического влияния сварного шва: Т – температура.

Участок 1– неполное расплавление металла. Это переходный участок от зоны наплавленного металла шва к основному металлу. Этот участок нагревается немного выше температуры плавления основного металла находящегося в твердо – жидком состоянии. В области этого участка проходит сплавление зерен шва и основного металла. Поэтому, свойства этого участка определяют свойства сварного шва.

Участок 2 – перегрев. В области этого участка металл нагревается до 1500оС. Металл участка имеет крупнозернистое строение с пониженной пластичностью. Для углеродистых сталей возможно появление закалочных структур.

Участок 3 – нормализация. Участок относительно недолго нагревается от 930 до 1100оС. Металл участка имеет мелкозернистую структуру с высокими механическими свойствами.

Участок 4 – неполная рекристаллизация. Это участок, в котором крупные зерна феррита окружены мелкими зернами феррита и перлита.

Участок 5 – рекристаллизация. Участок часто наблюдается после сварки заготовок прошедших предварительную пластическую деформацию (поковки, прокат). Участок характеризуется восстановлением формы и размеров разрушенных при деформации зерен.

Участок 6 - синеломкость. Участок лежит в интервале температур 200…400оС, что соответствует, синим цветам побежалости и характеризуется снижением пластичности металла.