ЗАО "Сварочные технологии"

Сварной шов имеет структуру литого металла. В большинстве случаев (при сварке низкоуглеродистых и низколегированных сталей) сварные швы эксплуатируются, не подвергаясь термической обработке.

Известно, что литой металл, как правило, уступает прокатному или кованому по своим пластическим и вязким свойствам (при этом чем крупнее зерно литого металла, тем хуже его механические свойства).

Однако несмотря на литую структуру, швы, выполненные на незакаливающихся сталях под флюсом и в защитных газах и имеющие оптимальный для данной марки стали химический состав, обладают высокими механическими свойствами без всякой термической обработки. Это объясняется тем, что в отличие от слитка сварной шов обычно содержит меньше азота, серы, фосфора и углерода, а также тем, что вследствие специфических особенностей процесса первичной кристаллизации металл сварного шва отличается более тонкой, чем слиток, структурой (более мелкими дендритами), меньшей зональной и внутрикристаллитной ликвацией.

Микроструктура металла сварного шва, зависящая главным образом от первичной кристаллизации, влияет на его свойства. При одинаковом химическом составе, но при различном характере первичной структуры швы могут обладать различными механическими свойствами, различной склонностью к образованию трещин, различными коррозионными и иными свойствами.

При дуговой сварке процесс кристаллизации металла сварочной ванны имеет следующие особенности:

1) объем жидкой ванны получается значительно меньшим, чем объем стального слитка;

2) сварочная ванна при кристаллизации одновременно охлаждается за счет отвода тепла в окружающий ее основной металл и нагревается равномерно удаляющимся источником тепла;

3) при сварке под флюсом и (в некоторой степени) при сварке толстопокрытыми электродами шлак замедляет охлаждение верхней части сварочной ванны.

По мере удаления электрической дуги металл сварочной ванны быстро охлаждается благодаря отводу тепла в основной металл и начинает затвердевать (кристаллизоваться). Кристаллы растут в направлении, перпендикулярном поверхности теплоотвода, представляющей собой криволинейную поверхность раздела расплавленного и твердого металлов (см. рис. 14).

Для большинства сварных швов характерна крупностолбчатая структура. Такая структура швов обусловлена наличием на границе сплавления шва с основным металлом готовых центров кристаллизации в виде крупных зерен основного металла, выросших вследствие нагрева до высоких температур, а также ускоренным теплоотводом в сторону основного металла. При этом чем крупнее получились зерна в основном металле на поверхности раздела с жидкой ванной, тем крупнее кристаллиты шва. Последние, однако, можно измельчить и дезориентировать путем введения в шов элементов модификаторов — титана, алюминия, циркония и др. Благодаря этому механические свойства (особенно пластичность и вязкость металла) повышаются.

Кристаллизация шва протекает периодически — с остановками, что обусловлено периодичностью охлаждения. После кристаллизации первого слоя охлаждение металла несколько задерживается в связи с выделением скрытой теплоты кристаллизации. Поверхность первого слоя имеет форму, соответствующую поверхности теплоотвода (рис. 33, а). После некоторой задержки вследствие непрекращающегося теплоотвода в глубь основного металла начинает кристаллизоваться второй слой и т. д. до полного затвердевания металла по всему сечению шва.

Толщина кристаллизационных слоев в сварных швах может колебаться от десятых долей миллиметра до нескольких миллиметров в зависимости от объема ванны жидкого металла и условий теплоотвода. Чем сильнее теплоотвод и чем меньше сварочная ванна, тем меньше толщина слоя. Наибольшая толщина кристаллизационных слоев наблюдается в металле шва, выполненном электрошлаковым способом.

Сварные швы имеют транскристаллическую (направленную) макроструктуру.

Столбчатые кристаллиты каждого последующего слоя кристаллизации и каждого последующего валика при многослойной сварке являются продолжением кристаллитов нижележащего слоя. В результате образуются кристаллиты, как бы перерастающие из слоя в слой (рис. 33, б).

(рис. 33) Кристаллизационные слои в металле однопроходного малоуглеродистого нелегированного шва (а) и направленная транскристаллическая макроструктура аустенитно-ферритного хромоникелевого многопроходного шва (б), выполненных автоматической сваркой под флюсом

Транскристаллическая (направленная) макроструктура сохраняется большей частью даже и в тех случаях, когда микроструктура сварного шва носит дезориентированный и измельченный характер. Вместе с тем при очень сильно измельченной микроструктуре (например, при двухфазных сварных швах) направленность становится менее выраженной. Если перед наложением каждого последующего слоя (при многослойной сварке) подвергнуть нижележащий слой чеканке (проковыванию), то макроструктура также теряет свой транскристаллический характер.

Ось каждого кристаллита в большинстве случаев не является прямой, а несколько изогнута в направлении вершины шва. Направленность кристаллитов (дендритов) зависит от формы поверхности раздела жидкого и твердого металлов, которая зависит от режима раздела и метода сварки. С увеличением сварочного тока при неизменном напряжении дуги или с уменьшением напряжения при неизменном токе отношение ширины сварочной ванны к ее глубине (коэффициент формы шва) уменьшается. При этом кристаллы металла ванны от основного металла растут навстречу друг другу (рис. 34, а). При уменьшении тока (при постоянном напряжении) или повышении напряжения дуги (при постоянном токе) отношение ширины ванны к ее глубине увеличивается; кристаллиты растут в направлении к вершине шва (рис. 34, б). Широкие швы с меньшей глубиной провара обладают лучшими механическими свойствами и в большинстве случаев большей стойкостью против образования трещин, чем узкие швы с глубоким проваром. Однако швы с чрезмерно большим коэффициентом формы более склонны к образованию горячих трещин, чем глубокие и узкие швы в связи с превалирующим влиянием больших усадочных напряжений и деформаций. Особенно это относится к сварке открытой дугой высоколегированных аустенитных сталей.

(рис. 34) Изменение направленности кристаллизации металла шва в зависимости от режима сварки (схема): а - при повышенном сварочном токе, пониженном напряжении дуги и повышенной скорости сварки (глубокий провар, узкий шов, взаимно встречное направление - кристаллов от стенок шва к его центру), б - при повышенном напряжении дуги и пониженном сварочном токе (малый провар, широкий шов)

Более благоприятная форма срастания кристаллитов (без образования линии слабины) наблюдается также и по длине шва. С уменьшением скорости сварки длина сварочной ванны уменьшается, кристаллиты сильнее изгибаются от боковых стенок к оси шва по его длине, срастаются между собой под меньшими углами, подобно тому, как это имеет место при электрошлаковой сварке (см. рис. 35, а). Наиболее малые углы (приближающиеся к нулю) между кристаллитами и осью шва наблюдаются при скорости сварки 10 м/ч и менее. При этом вредные примеси растущими кристаллитами выталкиваются вперед жидкой ванны и в значительном количестве всплывают в шлак. Вследствие этого уменьшается внутрикристаллитная дендритная химическая неоднородность металла по этим примесям и повышаются механические и технологические свойства металла шва, в том числе стойкость против образования горячих трещин, особенно высоколегированных чистоаустенитных швов.

При уменьшении скорости теплоотвода с поверхности сварочной ванны при сварке под флюсом, а тем более при наличии над растущими кристаллитами значительного объема сильно нагретого жидкого металла и шлака при электрошлаковой сварке создаются благоприятные условия для всплывания шлаковых включений и удаления газов из металла шва.

С увеличением объема сварочной ванны и уменьшением скорости ее охлаждения увеличивается размер столбчатых кристаллов, вследствие чего ударная вязкость металла шва снижается. Особенно отличаются крупнокристаллитной структурой швы, выполненные электрошлаковым способом. Кристаллиты при этом настолько велики, что легко различаются невооруженным глазом (см. рис. 35).

(рис. 35) Макроструктура металла шва, выполненного электрошлаковой сварокой: а - разрез вдоль шва, б - разрез поперек шва

Для измельчения структуры металла сварных швов в жидкий расплав иногда вводят элементы-модификаторы (алюминий, титан, ванадий и др.).

Действие модификаторов сводится к понижению скорости роста кристаллитов за счет обволакивания их поверхностно - активной пленкой. Присутствие в металлической ванне весьма малых концентраций элементов-модификаторов приводит к значительному измельчению и дезориентированию первичной структуры металла шва.

Нередко для измельчения структуры металла шва, а также металла околошовной зоны сварные соединения из конструкционных сталей подвергают термической обработке - нормализации. Однако к нормализации прибегают при крайней необходимости, так как применение термической обработки сварных изделий влечет за собой дополнительные затраты.

Измельчить структуру швов можно также с помощью ультразвука, механической вибрации сварочной ванны и т. д. Эти методы особенно целесообразно применять для измельчения структуры металла шва, выполняемого электрошлаковым способом.

Несмотря на крупные кристаллиты из-за меньшей дендритной химической неоднородности металла шва и меньшего темпа нарастания сварочных напряжений и деформаций электрошлаковые швы отличаются вполне удовлетворительными механическими свойствами и стойкостью против образования горячих трещин.

В зависимости от характера и состава сплава и условий кристаллизации (главным образом в зависимости от скорости кристаллизации) кристаллиты растут либо в виде ячеистых столбчатых форм, либо в виде древовидных форм (дендритов). При затвердевании металла шва в виде дендритов первые элементарные ячейки, образующие оси, а затем и ветви дендритов содержат меньше примесей, чем исходный жидкий расплав. По мере увеличения ветвей дендрита жидкий расплав, находящийся в междуосных пространствах, обогащается примесями и затвердевает в последнюю очередь, т. е. при более низкой температуре. Вследствие этого образовавшиеся дендриты оказываются неоднородными по химическому составу: центральные и начальные части дендритов состоят из наиболее чистого твердого раствора, а междендритиые пространства и пограничные его зоны содержат повышенную концентрацию указанных примесей и легирующих элементов. При ячеистой форме кристаллизации каждый кристаллит состоит из большого количества параллельно расположенных ячеек столбчатой формы, центральная часть которых представляет собой наиболее чистый от примесей твердый раствор, а его грани наиболее обогащены примесями и ликвидирующими легирующими элементами (рис. 36).

(рис. 36) Схема зубчатого фронта кристаллизации металла шва: а - толщина дендритов, h - высота выступов дендритов при кристаллизации

Отмеченное строение кристаллитов обусловлено тем, что каждая из растущих ячеек сравнительно быстро развивается одновременно с соседними преимущественно за счет роста главных осей, т. е. в одном направлении, обратном теплоотводу. Лишь при замедленном охлаждении металла сварочной ванны, повышении в нем концентрации примесных атомов и понижении температурного градиента — перепада температур (например, при сварке с предварительным подогревом основного металла) ячейки, как указывалось, приобретают ответвления и становятся дендритами. Последние при этом утолщаются, так как растут при меньшей скорости и на подкладках оплавленных зерен основного металла, выросших вследствие большего перегрева. Чем крупнее получились зерна в основном металле на поверхности раздела с жидкой ванной, тем крупнее кристаллиты шва и дендриты. Последние, однако, можно измельчить и даже дезориентировать путем введения в металл элементов-модификаторов и других технологических мер, например, с помощью электромагнитного перемешивания жидкого металла ванны или проковкой кромок свариваемого металла.

Ориентировка дендритов смежных кристаллитов не одинакова, а составляет некоторые углы, создавая, таким образом, между смежными кристаллитами своеобразные границы срастания (рис. 37).

(рис. 37) Микроструктура металла шва типа 03Х23Н28МЗДЗТ с содержанием 1,37% кремния (между смежными дендритами и кристаллитами - включения высококремнистой эвтектики с более низкой температурой затвердевания, чем основа металла)

Внутрикристаллитная ликвация или, как ее чаще называют, микроскопическая химическая неоднородность (образование зон обогащения ликвирующими элементами и примесями пограничных слоев ячеек и дендритов) обусловлена зубчатым характером фронта кристаллизации (см. рис. 36). При затвердевании металла шва на частично оплавленных зернах основного металла в первую очередь кристаллизуются группы ячеек из наиболее чистого от примесей металла в виде твердого раствора взаимно растворимых в нем элементов. Вещества, обладающие меньшей растворимостью в затвердевшем металле, чем в жидком, с более низкой температурой плавления вытесняются в жидкий расплав, обогащая его. Вследствие ограниченной диффузии впереди фронта кристаллизации создается обогащенный этими веществами слой жидкости с температурой плавления более низкой, чем основы расплава.

При некоторой критической скорости кристаллизации металла сварочной ванны на первом затвердевшем слое появляются выступы в виде зубьев.

Высота выступов h соответствует интервалу кристаллизации обогащенного примесями жидкого металла и находится в обратной зависимости от скорости кристаллизации.

Чем выше общее содержание в металле элементов или примесей, снижающих температуру плавления сплава, меньше коэффициент диффузии этого элемента и примесей в жидкости и меньше коэффициент распределения их между твердым и жидким металлом, тем больше накапливается этого элемента или примесей перед фронтом кристаллизации.

Благодаря боковой диффузии растворенные в жидком металле примеси и накопленные впереди фронта кристаллизации лидирующие элементы отводятся от вершин выступов к основаниям (см. рис. 36) и, внедряясь в решетку металла, образуют на границах ячеек-дендритов обогащенный ими твердый раствор, а при количестве примесей, превышающем растворимость их в твердом растворе - включения второй фазы, располагающиеся в междендритных и межкристаллитных зонах (см. рис. 37).

В слоях кристаллизации, описанных выше, ограниченно растворимые примеси также распределяются неравномерно.

При этом чем меньше скорость кристаллизации и, следовательно, толще слои кристаллизации, тем больше неоднородность химического состава в пределах каждого слоя.

Зональная ликвация в металле шва вызывается неодновременной кристаллизацией периферийных его зон и средней части. Металл периферийных зон шва, затвердевающий в первую очередь, содержит минимальное количество ликвирующих элементов и примесей (С, S, Р, Si и др.). Содержание примесей в остающемся жидком расплаве при этом несколько возрастает. Затвердевающий в последнюю очередь металл средней части шва оказывается, таким образом, более загрязненным примесями и образует так называемую зону слабины шва. Зональная ликвация проявляется, однако, только в однопроходных узких швах значительного сечения. С уменьшением сечения шва увеличивается охлаждение сварочной ванны и возрастает скорость кристаллизации металла, благодаря чему ликвирующие примеси не успевают оттесняться к центру шва и в большом количестве фиксируются в твердом растворе междендритных пространств либо у граней ячеек кристаллитов. В результате этого примеси (сера, фосфор, углерод) в различных зонах шва распределяются более или менее равномерно.

В швах любых сечений зональная ликвация развита значительно слабее, чем внутридендритная.