ЗАО "Сварочные технологии"

Сварным соединением называется неразъемное соединение двух или нескольких металлических частей, выполненное сваркой.

Сварное соединение состоит из основного (свариваемого) металла, металла околошовной зоны и металла сварного шва. Такое разделение сварного соединения на отдельные зоны объясняется тем, что структура, а иногда и свойства металла шва и околошовной зоны отличаются от свариваемого металла в исходном состоянии. Рассмотрим в общем виде структуру и свойства металла в околошовной зоне сварного соединения низкоуглеродистой конструкционной стали.

Под воздействием тепла дуги прилегающие к шву участки основного металла нагреваются, и структура его изменяется. Как выше указывалось, температура нагрева отдельных точек околошовной зоны различна и зависит от расстояния данной точки до расплавленного металла. Точки, непосредственно прилегающие к расплавленному металлу, нагреваются до температуры, близкой к температуре плавления свариваемого металла.

По мере удаления от шва температура нагрева уменьшается сначала резко, затем более плавно (рис. 42, а).

(рис. 42) Температурные границы участков околошовной зоны сварного соединения (а) и связь их структуры с диаграммой состояния сплава железо - углерод (б)

Характер структуры в отдельных участках околошовной зоны может быть определен из диаграммы состояния сплава железо - углерод (рис. 42,6). В зависимости от температуры нагрева и, следовательно, структурных и физико-механических изменений в околошовной зоне различают следующие участки: 1- неполного расплавления, 2 - перегрева, 3 - нормализации, 4 - неполной перекристаллизации, 5 - рекристаллизации и 6 - синеломкости, или термического старения. Микроструктура стали 15ХСНД (НЛ-2) и основных участков околошовной зоны показана на рис. 43.

(рис. 43) Микроструктура участков сварного соединения стали 15ХСНД: а - шов, б - участок перегрева основного металла, в - участок нормализации, г - участок неполной перекристаллизации, д - основной металл вдали от шва

С точки зрения изменения механических свойств наибольший интерес представляет участок перегрева. Примыкая непосредственно к металлу шва, этот участок нагревается до наиболее высоких температур (выше 1100°С, до температуры плавления). Вследствие этого, несмотря на кратковременность пребывания при высоких температурах, в металле этого участка развивается крупное зерно. В сварных соединениях из низкоуглеродистых и большинства низколегированных сталей рост зерна в околошовной зоне не оказывает заметного влияния на свойства металла. Однако при сварке закаливающихся сталей последующее быстрое охлаждение околошовной зоны может вызвать закалку металла и образование структур, имеющих значительную твердость и хрупкость. В участке крупного зерна при этом могут образовываться крупные пластины мартенсита, способствующие возникновению холодных трещин.

Общая ширина зоны термического влияния и размеры отдельных ее участков, а также максимальная твердость металла зависят от условий нагрева и охлаждения, определяемых величиной сварочного тока, напряжением дуги, скоростью сварки, толщиной свариваемого металла, температурой окружающей среды и т. д.

Чем больше толщина свариваемого металла или меньше погонная энергия сварки, тем интенсивнее отводится тепло из зоны нагрева металла, вследствие этого ширина околошовной зоны уменьшается, а твердость металла возрастает. Предварительный подогрев изделия уменьшает твердость околошовной зоны и шва. Вместе с тем предварительный подогрев, а также повышение погонной энергии сварки или уменьшение толщины свариваемого металла способствуют укрупнению структуры шва и околошовной зоны и увеличению ширины участка перегрева. Это может привести к ухудшению пластичности и ударной вязкости металла шва и околошовной зоны.

Значительный рост зерна и снижение ударной вязкости металла в околошовной зоне наблюдается при электрошлаковой сварке. Чтобы измельчить зерно, изделия, сваренные электрошлаковым способом, в большинстве случаев подвергают последующей термической обработке (нормализации).

При дуговой сварке наиболее крупные зерна металла образуются в околошовной зоне, если соединение выполнено на стали толщиной более 10 мм в один слой с предварительным подогревом. Поэтому наилучшими механическими свойствами обладают толстостенные соединения, сваренные двухслойными или многослойными швами. При выполнении каждого последующего слоя предыдущий слой шва претерпевает нормализацию и отпуск, вследствие чего структура и механические свойства металла шва улучшаются. При этом улучшаются структура и механические свойства металла околошовной зоны. Однако при многослойной сварке стыковых соединений с V-образной разделкой кромок значительно увеличивается возможность образования трещин в первом слое шва вследствие резкого уменьшения коэффициента формы (отношения ширины шва к глубине плавления). Чтобы предупредить образование таких трещин, целесообразно первые слои шва сваривать на пониженном токе с небольшой скоростью.

Чувствительность стали к изменению термического цикла сварки зависит от содержания в ней углерода, а также элементов, повышающих прокаливаемость и склонность к перегреву.

Поэтому при установлении технологии дуговой сварки стали необходимо не только правильно выбрать электродную проволоку с соответствующим химическим составом, но и определить оптимальные режимы и приемы сварки, количество слоев шва, целесообразность предварительного подогрева, а также необходимость и режим последующей термической обработки.

Некоторые стали под воздействием термического цикла сварки значительно изменяют свои механические и другие свойства в околошовной зоне. Например, в хромистых сталях ферритного класса (XI7, Х17Т, Х25Т) обычной выплавки рост зерна в околошовной зоне приводит к сильному падению пластичности и ударной вязкости, не восстанавливаемой даже после термической обработки.

Причиной этого является концентрация азота и углерода в пограничных слоях ферритных зерен и связанное с этим напряжение в решетке (искажения ее) вследствие разницы в размерах атомов азота и углерода, с одной стороны, и атомов железа и хрома - с другой, составляющих основу твердого раствора высоколегированного феррита. Снижение содержания углерода и азота до тысячных долей процента предотвращает охрупчивание металла и при росте зерна. Все это в такой же мере относится и к высокохромистому ферритному металлу шва.

Некоторые высоколегированные кислотостойкие стали после сварки теряют стойкость против межкристаллитной коррозии и т. д. В этих случаях режимы и техника сварки должны обеспечивать по возможности минимальный (кратковременный) разогрев металла.

При сварке некоторых сталей обнаруживается значительное снижение ударной вязкости металла в участке термического старения. Легированные и высоколегированные, а также углеродистые спокойные стали практически не проявляют склонности к термическому старению в условиях термического цикла сварки. Углеродистые кипящие стали, а также обычные бессемеровские проявляют эту склонность в околошовной зоне, что сильно снижает ударную вязкость металла в этом участке (особенно при понижении температуры испытания). Склонность к термическому старению сталей вызвана повышенным содержанием в них кислорода и азота. Под воздействием нагрева в определенном интервале температур (200-300°С) и напряжений, возникающих в сварном соединении, выделяются соединения кислорода и азота по границам зерен, вследствие чего повышается хрупкость металла. В связи с этим кипящие мартеновские и обычные бессемеровские стали не используются в сварных конструкциях, эксплуатируемых при пониженных температурах и динамических нагрузках.