Строение сварного шва

Наиболее широкое применение в сварных конструкциях имеет малоуглеродистая сталь. Рассмотрим поэтому вопрос о строении сварного шва на примере сварки малоуглеродистой стали.


Основой стали является железо, в котором размещены частицы углерода и других элементов, входящих в её состав. Железо может находиться в стали в виде феррита и аустенита.


Ферритом называется чистое железо, очень мягкое, обладающее' высокой пластичностью, прочностью и магнитными свойствами. В виде феррита железо может находиться при температуре до 910°. Атомы кристалла феррита расположены по схеме, показанной на рис. 1, а. При температуре 910° (называемой критической) и выше феррит переходит, в аустенит, характеризуемый более уплотнённым расположением атомов (рис. 1, б). Аустенит не магнитен и отличается большей твёрдостью и вязкостью. При охлаждении ниже 910° аустенит способен снова превращаться в феррит.

 

Углерод содержится в стали в виде химического соединения с железом — цементита (Fe3C), отличающегося высокой твёрдостью и хрупкостью. Цементит в мягкой малоуглеродистой стали располагается в виде очень тонких пластинок, скопления которых распределены в основной массе феррита.

 

Такое строение (структура) стали называется перлитом, представляющим собой механическую смесь феррита с цементитом. По мере увеличения содержания углерода в стали количество перлита в ней возрастает. Сталь, содержащая 0,83% углерода, состоит только из перлита" При дальнейшем повышении содержания углерода начинается выделение отдельных зёрен цементита и структура стали будет состоять из перлита с распределённым в нем цементитом. Углерод понижает критическую температуру.

 

Как указывалось выше, для чистого железа она равна 910°, для стали, содержащей 0,9% углерода, она составляет всего 720°. Аустенит способен хорошо растворять углерод, вследствие чего при нагревании стали до температуры, незначительно (на 20—30°) превышающей критическую, включения цементита исчезают и сталь приобретает равномерную мелкозернистую структуру. Если затем сталь медленно охладить, то она сохранит мелкозернистое строение. Это свойство стали используется для придания ей мелкозернистой структуры отжигом.



 Схема расположения атомов в кристалле железа

Рис. 1. Схема расположения атомов в кристалле железа:
а — феррита, 6 — аустенита

Если нагревать сталь до температуры, значительно превышающей критическую» то получается крупнозернистая структура, которая понижает прочность стали и делает её более хрупкой. Повторно нагревая перегретую сталь до температуры несколько выше критической и затем медленно охлаждая её, можно вновь получить мелкозернистую структуру.


Описанные выше превращения происходят в стали не мгновенно, а требуют некоторого времени. Поэтому при быстром охлаждении стали, которое имеет место при сварке, эти превращения не успевают произойти полностью, вследствие чего получаются другие, промежуточные структуры. Так, например, в стали с повышенным содержанием углерода растворенный в аустените углерод при быстром охлаждении не всегда успевает полностью выделиться и остаётся в феррите. При этом образуется новая, твёрдая структура—мартенсит. Мартенситная сталь отличается высокой твёрдостью, но она более хрупкая. Нагрев и последующее быстрое охлаждение (закалка) придают стали повышенную твёрдость.

 

Чем больше углерода в стали, тем она более склонна к закалке при нагреве и быстром охлаждении. Изменяя скорость охлаждения, можно получить различную твёрдость стали. Закалке подвержены стали, содержащие свыше 0,3% углерода. Последующий нагрев и медленное охлаждение (отпуск) устраняют действие закалки на сталь, способствуя частичному или полному выделению углерода из феррита и образованию перлитной структуры.


Степень отпуска (т. е. степень уменьшения твёрдости) может быть различной в зависимости от температуры нагрева и длительности выдержки стали при этой температуре. Это явление имеет место, например, при наложении многослойных швов. В процессе наложения вышележащих валиков отжигается металл нижележащих слоёв шва.


На тщательно отшлифованной поверхности разреза сварного шва, протравленной специальным раствором, можно ясно видеть отдельные его части, имеющие различное строение зёрен и называемые зонами сварного шва.


Основной металл в процессе сварки нагревается и частично расплавляется, подвергаясь действию высокой температуры сварочной дуги или сварочного пламени. Чем выше температура нагрева, тем большие изменения будет претерпевать металл. В той зоне основного металла, где температура нагрева углеродистой стали не превышает 720°, металл сохраняет те же свойства, которыми он обладал до сварки.


Наплавленный металл получается за счёт расплавления присадочного, или электродного металла и частичного смешивания его с основным металлом. При ручной дуговой сварке стали в наплавленный металл за счёт расплавления свариваемых кромок добавляется до 10% основного металла; при сварке под флюсом проволокой диаметром 4—5 мм эта добавка основного металла составляет до 50% и более.


Наплавленный металл по составу, строению и свойствам отличается как от присадочного (электродного), так и от основного металла.


Образование первых кристаллов начинается в жидком металле у поверхностей охлаждения и вокруг так называемых центров кристаллизации, образующихся в процессе затвердевания сварочной ванны. Из этих начальных центров образуются зерна металла за счёт присоединения новых кристаллов. Чем быстрее охлаждение металла, тем больше образуется центров кристаллизации и тем мельче будут зерна. При медленном охлаждении в процессе затвердевания металл приобретает крупнозернистое строение (рис. 2, а).

 

Находящиеся в жидком металле примеси и загрязнения (окислы, шлаки и др.) имеют более низкую температуру затвердевания, чем металл, и при застывании располагаются по границам зёрен металла, ухудшая их сцепление между собой. Это снижает прочность и пластичность наплавленного металла. Чем чище наплавленный металл, тем выше его механические свойства.


При автоматической сварке под флюсом получается более глубокое проплавление кромок основного металла, чем при ручной сварке, и он имеет зерна разветвлённой формы (рис. 2, б), напоминающие ветвь дерева. Зерна такой формы называются дендритами (от греческого слова дендрит — дерево) или столбчатыми и характерны для образовавшегося при застывании жидкого литого металла.


Таким образом, зерна наплавленного металла по своей форме и расположению будут иными, чем зерна основного металла, которые всегда вытянуты в направлении прокатки. Если жидкий наплавленный металл или соседний с ним участок основного металла был

 


 Схема строения металла сварного шва

Рис. 2. Схема строения металла сварного шва:
а — схема кристаллизации металла в сварочной ванне при ручной сварке покрытыми электродами

1 — кристаллы, обладающие большой скоростью роста,
2 — неметаллические включения (шлаки),
3 — линия расплавления,

4 — кристаллы основного нерасплавленного металла. 

5 — кристаллы, обладавшие малой скоростью роста;

6 — схема столбчатой (дендритной)

структуры металла сварного шва при автоматической сварке под флюсом: 

1 — основной металл,

2 — металл шва,

3 — зерна металла шва (дендриты) очень сильно перегрет, то при охлаждении его зерна принимают игольчатую форму и пересекаются друг с другом в разных направлениях, образуя так называемую видманштеттову структуру.

 

Перегретый металл обладает меньшей прочностью и является более хрупким.

Зона сплавления расположена между основным и наплавленным металлом. В этой зоне основной металл расплавляется и смешивается с наплавляемым металлом электрода. Если зерна основного и наплавленного металла хорошо срослись и как бы проникают друг в друга, то такие швы обладают наибольшей прочностью. Зона сплавления имеет ничтожные размеры и даже при рассмотрении под микроскопом часто сливается с границей шва. Однако это бывает не всегда. В некоторых случаях можно довольно ясно различить границу между зёрнами основного и наплавленного металла. Иногда на границе между основным и наплавленным металлом образуется цепочка из плёнок окислов. В таком месте шов всегда будет обладать пониженной прочностью из-за недостаточного сцепления частиц наплавленного металла с основным.


За зоной сплавления в основном металле имеется участок, где металл не изменяет своего химического состава. Но так как он довольно сильно нагревается, то строение и размеры его зёрен изменяются. Эта часть основного металла носит название зоны термического (теплового) влияния или просто зоны влияния.


Зона влияния имеет особое значение при сварке тех сортов сталей, которые чувствительны к закалке (высокоуглеродистых, хромистых). При нагреве и последующем быстром охлаждении таких сталей в зоне влияния резко повышается твёрдость и хрупкость, часто сопровождающиеся даже появлением трещин в металле шва и прилегающей к нему зоне основного металла. Для таких сталей приходится применять специальные режимы сварки, а также предварительный подогрев и последующую термическую обработку сварных швов.


Строение зоны влияния при ручной дуговой сварке малоуглеродистой стали схематически показано на рис. 3. Рядом с наплавленным металлом расположена зона сплавления, с которой граничит участок перегрева. Здесь основной металл уже не нагревается до температуры плавления, хотя температура нагрева его достаточно высока и лежит в пределах 1100—1500°, что вызывает значительный рост зёрен металла на данном участке, и почти всегда сопровождается образованием зёрен игольчатой (видманштеттовой) структуры. Эта часть шва обычно является наиболее слабым местом и здесь металл будет обладать наибольшей хрупкостью, хотя и не будет влиять существенно на прочность сварного соединения в целом, за исключением тех случаев, когда перегрев значителен.

 

По мере удаления от оси шва температура нагрева снижается. в пределах температур 900—1100° находится участок нормализации, характеризующийся наиболее мелкозернистым строением, так как здесь температура нагрева лишь незначительно превышает критическую температуру. Следующий участок, лежащий в пределах температур 720—900°, подвержен лишь частичному изменению структуры основного металла и потому называется участком неполной перекристаллизации, В нем имеются наряду с отдельными довольно крупными зёрнами скопления мелких зёрен.

 

В этой части металла подведённого количества тепла уже недостаточно для измельчения всех зёрен.


Участок, соответствующий нагреву от 500 до 720°, называется участком рекристаллизации; в нем структура стали не изменяется, а происходит лишь восстановление прежней формы и размеров зёрен, разрушенных и деформированных при прокатке металла. При дальнейшем понижении температуры от 500° и ниже уже нельзя заметить признаков теплового воздействия на основной металл.


Наибольшей прочностью и пластичностью металл сварного соединения будет обладать на участке нормализации.


Наименьшую величину зона термического влияния имеет при дуговой сварке тонко покрытыми электродами и при сварке под слоем флюса. При ручной дуговой сварке электродами с толстым покрытием зона влияния несколько больше и достигает 5—6 мм.

 

Рис. 3. Схема строения зоны влияния при ручной дуговой сварке малоуглеродистой стали. Цифрами 2, Зу 4, 5 и 6 обозначены одни и те же участки на разрезе металла шва, кривой и шкале температуры на диаграмме

Ширина зоны влияния главным образом зависит от сварочного тока, скорости сварки и условий отвода тепла от места сварки. Так, например, при автоматической сварке стали со скоростью 10 —12 м/час током 2000—2500 а ширина зоны влияния достигает 8—10 мм при толщине стали 40 мм\ при автоматической сварке стали толщиной 2 мм током 1200—1400 а при скорости 360 м/час зона влияния имеет ширину всего 0,5—0,7 мм.


 Схема строения зоны влияния при ручной дуговой сварке малоуглеродистой стали