Теория сварочных процессов (стр. 4 )

12  Кристаллизация металла при сварке

12.1 План лекции

1.Первичная кристаллизация металла сварочной ванны.

2. Методы регулирования первичной кристаллизации при сварке.

3. Вторичная кристаллизация сварного соединения.

4. Зона термического влияния.

Кристаллизация металла в сварочной ванне протекает в специфических условиях:

- металл ванны одновременно находится под действием источника тепла и охлаждающих стенок ванны, а фронт кристаллизации перемещается вместе с источником тепла;

- распределение температуры по объему металла ванны неравномерно;

- кристаллизация осуществляется с большими скоростями роста кристаллов;

- кристаллизация металла сварочной ванны имеет прерывистый характер.

Для сварочной ванны 2-го типа (при вертикальной дуговой и электрошлаковой сварке с формирующими устройствами) имеются дополнительные особенности:

а) большой объем и замедленное охлаждение металла, увеличенный размер кристаллов;

б) равномерный теплоотвод по всему периметру шва и радиальный рост кристаллов;

в) постоянное наличие над растущими кристаллами значительного объема жидкого металла и шлака, что облегчает отделение от металла неметаллических включений (шлаки, газы).

При кристаллизации происходит распределение легирующих элементов и других примесей в металле. Неравномерное распределение элементов, химических соединений и других составляющих в металле называется ликвацией. К числу сильно ликвирующих элементов относятся углерод, сера и фосфор.

В металле шва наблюдаются преимущественно дендритная и зональная ликвация, а дендритная может быть внутри – и межкристаллитной.

Для получения мелкозернистой, равноосной структуры с малой химической неоднородностью применяют следующие пути регулирования процесса первичной кристаллизации:

- для повышения стойкости к горячим трещинам правильный подбор соотношения ширины В и глубины Н сварочной ванны, коэффициент формы ванны ;

- измельчение грубой столбчатой структуры путем введения в сварочную ванну модификаторов (B, Ti, V, Nb, Zr), ультразвуковых и низкочастотных колебаний, электромагнитного перемешивания металла ванны, повышения скорости охлаждения ванны.

Структурные превращения при охлаждении металла после первичной кристаллизации относятся к процессам вторичной кристаллизации. Их особенности при сварке в том, что в наплавленном металле:

- избыточный феррит не полностью успевает выделиться из аустенита и содержит <0,83%С;

- в результате эвтектоидного превращения образуется большее количество перлита, но с меньшим содержанием углерода, чем при равновесных превращениях;

- перлит имеет более тонкое строение.

При многослойной и многопроходной сварке происходит своеобразная термообработка нижележащего слоя, исчезает его грубое столбчатое строение, измельчается структура.

Зона термического влияния в около шовной зоне имеет следующие участки:

1 – неполного расплавления, которое образуется при температурах Тл-Тс;

2 – перегрева, образуется при Тс-11300С;

3 – нормализации (при Ас3-11300С);

4 – неполной перекристаллизации (при температурах Ас1-Ас3);

5 – рекристаллизации, образуется при температурах 5000С – Ас1;

6 – участок синеломкости (при 2000-5000С).

Чем меньше зона термического влияния, тем выше свойства сварного соединения.

12.2 Рекомендуемая литература

1) [3] стр.269-274; [7] стр. 26-37.

2) [3] стр.283-288; [7] стр. 73-82.

3) [3] стр.288-292.

12.3 Контрольные задания для СРС (тема 12) [6, 8]

1) Первичная кристаллизация металла сварочной ванны.

2) Методы регулирования первичной кристаллизации при сварке.

3) Вторичная кристаллизация сварного соединения.

4) Зона термического влияния.

13 Образование горячих трещин при сварке. Образование холодных трещин в сварном соединении

13.1 План лекции

1) Трещины при сварке и их классификация.

2) Образование горячих трещин.

3) Образование холодных трещин.

4) Меры по предотвращению трещин.

Микротрещины – трещины, размеры которых соизмеримы с параметрами кристаллической решетки. Они могут быть в любых кристаллах. Крупные трещины, приводящие к разрушению в металле, проходят по телу детали. В зависимости от температурного интервала возникновения различают трещины кристаллизационные или горячие, которые возникают в металле на завершающей стадии процесса кристаллизации – в интервале температур, близких к линии солидус.

Холодные трещины возникают при более низких температурах, чаще всего в результате структурных превращений в металле.

Горячие трещины носят межкристаллический характер, то есть проходят по границам кристаллов, а холодные трещины чаще пересекают кристаллы и границы их. Горячие трещины имеют извилистую форму, поверхность излома зернистая. Холодные более прямые, поверхность излома более гладкая.

Образование горячих трещин обусловлено следующими факторами:

- величиной и характером пластических деформаций в шве при кристаллизации;

- деформационной способностью металла в температурном интервале образования кристаллизационных трещин;

- скоростью нарастания деформаций.

Горячие трещины образуются, если деформации растяжения развиваются в период нахождения металла, в температурном интервале хрупкости (ТИХ), а скоростью деформации велика.

При образовании холодных трещин определяющими являются 3 фактора:

1)  закалочные структуры;

2)  повышенный уровень напряжений 1-го рода;

3)  насыщенность металла водородом.

Меры по повышению технологической прочности и снижению склонности к трещинам:

1)  уменьшение температурного интервала хрупкости за счет удаления вредных примесей (сера, фосфор);

2)  измельчение структуры модификаторами (Ti, Al, и др.);

3)  предварительный подогрев и замедленное охлаждение.

13.2 Рекомендуемая литература

1) [3] стр.295-297.

2) [3] стр.297-306; [7] стр.123-126.

3) [3] стр.319-325; [7] стр.126-127.

4) [3] стр.326-327.

13.3 Контрольные задания для СРС (тема 13) [3, 8]

1) Трещины при сварке и их классификация.

2) Образование горячих трещин.

3) Образование холодных трещин.

4) Меры по предотвращению трещин.

14  Свариваемость металлов и сплавов. Методы оценки свариваемости

14.1 План лекции

1) Свариваемость и ее основные критерии.

2) Экспериментальные методы оценки свариваемости.

3) Расчетные методы оценки свариваемости.

Способность соединяемых металлов образовывать при сварке качественное сварное соединение оценивают их свариваемостью. Свариваемость – комплексная характеристика металла, характеризующая его реакцию на физико-химическое воздействие процесса сварки и способность образовывать сварное соединение, отвечающее заданным эксплуатационным требованиям.

Основные критерии свариваемости:

- окисляемость металла;

- сопротивляемость образованию горячих трещин и трещин при повторных нагревах;

- сопротивляемость образованию холодных трещин и замедленному разрушению;

- чувствительность к росту зерна и изменению прочности и пластичности;

- чувствительность к образованию пор;

- соответствие свойств сварного соединения эксплуатационным требованиям.

Экспериментальные методы оценки свариваемости основаны на исследовании поведения металлических образцов в процессе сварки. Оценивается склонность к образованию горячих и холодных трещин, механические свойства металла шва и около шовной зоны и так далее на тест – образцах и технологических пробах например, по ГОСТ 26389 – 80.

Расчетные методы используют эмпирические формулы. Например, эквивалентное содержание углерода Сэ для определения склонности к холодным трещинам:

СЭ= C+ + ++++++ (ГОСТ 27772-88);

СЭ= C+ +++ (формула МИС) или

СЭ= C++++ (формула Сефериана)

где С, Mn и др. – символы химических элементов и их содержание в процентах.

Для оценки склонности к горячим трещинам есть выражение:

(уравнение Итамуры)

14.2 Рекомендуемая литература

1) [1] стр.433-434.

2) [1] стр. 482-485; [2] стр. 307-311; [4] стр. 65-77.

3) [1] стр.526; [4] стр. 64, 69.

14.3 Контрольные задания для СРС (тема 14) [2, 5]

1) Свариваемость и её основные критерии

2) Методы оценки свариваемости

15 Свариваемость черных и цветных металлов

15.1 План лекции

1) Свариваемость сталей.

2) Свариваемость чугунов.

3) Свариваемость легких и цветных металлов.

4) Свариваемость тяжелых цветных металлов.

Наилучшей свариваемостью всеми методами сварки обладают низкоуглеродистые и низколегированные конструкционные стали. Все они свариваются без предварительного подогрева, кроме низколегированных сталей при отрицательных температурах.

Средне - и высокоуглеродистые стали обладают склонностью к горячим трещинам и требуют подогрева при сварке и термообработки после сварки.

Среднелегированные стали при сварке дают как горячие, так и холодные трещины и требуют подогрева и термообработки. Высоколегированные стали мартенситного и ферритного классов склонны к холодным трещинам и росту зерна при сварке. Стали аустенитного класса чувствительны к горячим трещинам и порам при сварке, а также возможна потеря коррозионных свойств.

Свариваемость чугунов осложняется наличием большого количества свободного углерода в виде графита и процессом образования отбеленного чугуна с большим количеством цементита, дающего хрупкую структуру металла.

Сварка алюминия, как наиболее распространенного легкого металла, затрудняется наличием стойкой и тугоплавкой окисной пленки на его поверхности. Это требует тщательной подготовки деталей под сварку, очистки и специальных режимов дуговой сварки или сварочных материалов.

Медь как представитель тяжелых металлов имеет высокую электропроводность и теплопроводность. Это осложняет процесс нагрева и плавления меди при сварке дуговой и контактной. Отрицательно влияет на свойства сварного соединения водород, который приводит к холодным трещинам.

15.2 Рекомендуемая литература

1) [2] стр.328-357.

2) [2] стр.357-364.

3) [2] стр.375-386.

4) [2] стр. 364-370.

15.3 Контрольные задания для СРС (тема 15) [2]

1) Свариваемость сталей

2) Свариваемость чугунов

3) Свариваемость легких цветных металлов

4) Свариваемость тяжелых цветных металлов

Список литературы

1 Теория сварочных процессов./Под ред. – М: Изд-во МВТУ им. , 2007, 752 с.

2 Теория сварочных процессов / под ред. . – М.: Высшая школа, 1988. – 559 с.

3 , , Хренов сварочных процессов – Вища школа, 1976. – 424 с.

4 , Тумарев сварочных процессов. - М.: Высшая школа, 1977. – 392 с.

5 Сварка. Резка. Контроль.: Справочник. Том 1. / под общ. ред. , Г, Г. Чернышова. – М.: Машиностроение, 2004. – 624 с.

6 Сварка и свариваемые материалы: В 3-х Т. Т 1. Свариваемость материалов. Справочник под ред. . М.: Металлургия, 1991. – 528 с.

7 Свариваемость сталей. – М.: Машиностроение, 1984. – 216 с7

8 , Хакимов сварки и термическая обработка сварных соединений. – М.: Машиностроение, 1989. – 336 с.

9 , Денисенко сварки низко - и среднелегированных сталей. – Киев: Наукова думка, 1978. – 276 с..

10 Атлас структур сварных соединений. – М.: Металлургия, 1977. – 228 с.

11 Лебедев в теории сварочных процессов / Учебное пособие, - Киев, 1992. – 320 с.