Всё для надежной сварки
Печатная версия материала с сайта svarkainfo.ru - портала о сварке. При использовании материалов с сайта, пожалуйста, всегда указывайте источник или гиперссылку.
показать меню

Главная / Библиотека / Интернет-учебник / Кристаллизация металла в сварочной ванне

Интернет-учебник

Кристаллизация металла в сварочной ванне

Кристаллизация - это процесс образования зерен (кристаллитов) металла при его охлаждении. Кристаллитом называют кристалл неправильной формы. Возникновение и рост кристаллитов при переходе металла из жидкого состояния в твердое называют первичной кристаллизацией. Преобразование первичных кристаллитов при охлаждении затвердевшего металла, структурные превращения в нем, называют вторичной кристаллизацией.

Сварочная ванна

Объем расплавленного металла, образующийся при сварке плавлением под воздействием источника тепла, называют сварочной ванной. Различают сварочную ванну первого типа, образующуюся, например, при дуговой или газопламенной сварке, и второго типа, образующуюся при электрошлаковой сварке. Рассмотрим подробнее сварочную ванну первого типа, поскольку она встречается чаще (рис. 1).

Рис. 1. Схема образования шва при дуговой сварке:
1 - линия (зона) сплавления; 2 - частично оплавленные зерна основного металла; 3 - столбчатые кристаллиты; 4 - кристаллизационные слои; 5 - автономные неориентированные кристаллиты; S - толщина свариваемой кромки; h - глубина проплавления; е - ширина шва; q - высота усиления шва

В головной части ванны на линии АБВ (на фронте плавления) происходит плавление основного металла. Под действием давления дуги, потоков газа, реакции паров металла, конвекции, возникающей из-за неравномерного нагрева, жидкий металл под источником тепла (под сварочной дугой) оттесняется, постоянно перемещаясь в хвостовую часть ванны. В нем образуется углубление-кратер, которым определяется глубина проплавления h. В хвостовой части ванны металл охлаждается и на задней границе ванны (на линии АГВ), которую называют фронтом затвердевания, кристаллизуется. Электродный или присадочный металл, расплавляясь, перемешивается в сварочной ванне с основным металлом и обеспечивает усиление q сварного шва. Между металлом шва и основным металлом свариваемой детали образуется четкая граница 1, которую называют зоной сплавления, или, при малой ее ширине, линией сплавления.

Размеры и параметры сварочной ванны зависят от тепловой мощности источника тепла, скорости сварки и теплофизических свойств свариваемого и электродного материалов. Длину ванны при дуговой сварке можно определить по формуле

L = k(UI)2/(Vсвδ2),
где к = 2,8...3,6 мм/(кВ*А); U - напряжение на дуге, В; I - сила сварочного тока, А; δ - толщина свариваемых кромок, мм.

 

Длительность пребывания сварочной ванны в жидком состоянии рассчитывают как отношение длины сварочной ванны L к скорости сварки Vсв:

tж = L/ Vсв.

Ширина сварочной ванны определяет ширину шва е, которая характеризует форму шва. Коэффициент формы шва ψ приближенно находят как отношение ширины шва к глубине проплавления:

ψ=e/h.

Первичная кристаллизация металла сварочной ванны

Процесс кристаллизации металла состоит из трех стадий. Это переохлаждение жидкого металла, образование центров кристаллизации и рост кристаллитов от этих центров.

Переохлаждение — это охлаждение жидкого металла до температуры ниже температуры его плавления. От наличия переохлаждения зависит вторая стадия процесса кристаллизации: образование центров кристаллизации, зародышей будущих кристаллитов. Атомы расплавленного металла не могут самопроизвольно сложиться в кристаллиты. Необходимо, чтобы в расплаве была готовая твердая поверхность, на которой будут откладываться атомы из жидкого металла, нужны твердые зародыши будущих кристаллитов - центры кристаллизации.

Расплав чистых металлов имеет однородный (гомогенный) состав, в нем нет примесей и посторонних включений. Если такой расплав охлаждать, то его переохлаждение будет увеличиваться до критического значения. Например, для железа это на 295 0С, для меди на 263 0С, для алюминия на 135 0С ниже температуры плавления. При таком переохлаждении в жидкости начинают создаваться устойчивые группировки атомов, некоторые из которых становятся центрами кристаллизации. Такие зародыши образуются сразу во всем объеме жидкости, кристаллиты растут на них во всех направлениях, мешая друг другу. Получается мелкозернистая однородная структура с хорошими механическими свойствами.

Однако при сварке гомогенного расплава не бывает. Металл сварочной ванны неоднородный (гетерогенный). В нем могут быть не полностью расплавившиеся частицы основного, присадочного или легирующих материалов, он контактирует по границам ванны с частично оплавленными зернами основного металла. Эти твердые поверхности при сварке являются гетерогенными зародышами кристаллитов. Такие зародыши можно создавать искусственно, например вводя в сварочную ванну порошки элементов-модификаторов. Более тугоплавкие частицы этих элементов, находясь в металле ванны во взвешенном состоянии, служат центрами кристаллизации, что измельчает структуру шва и улучшает его свойства. При сварке стали модифицировать металл шва можно, вводя в хвостовую часть ванны железные опилки.

Кристаллиты в сварочной ванне начинают расти на оплавленной поверхности зерен основного металла. Они растут по направлению максимального теплоотвода от жидкого металла перпендикулярно касательной к фронту затвердевания - к линии АГВ (см. рис. 1). Такие кристаллиты называют столбчатыми. Скорость роста столбчатого кристаллита зависит от величины переохлаждения перед его вершиной. У линии сплавления 1 в точках А и В нагрев и охлаждение одинаковы, переохлаждения не возникает, скорость роста кристаллита Vk = 0.

В точке Г теплоотвод наибольший, значит, в жидком металле вблизи этой точки возникнет максимальное переохлаждение и, соответственно, кристаллит здесь будет расти с максимальной скоростью. Таким образом, скорость роста кристаллита по мере перемещения его вершины по фронту затвердевания возрастает от нуля до максимального значения. Но изменение этой скорости происходит немонотонно. Дело в том, что при затвердевании выделяется скрытая теплота кристаллизации, которая раньше была затрачена на разрыв связей между частицами твердого металла при его плавлении. Эта теплота уменьшает переохлаждение и наступает момент, когда рост кристаллита практически прекращается. Затем переохлаждение вновь увеличивается - кристаллит вновь начинает расти, ускоряясь.

Рис. 2. Схема кристаллизации металла в сварочной ванне

Процесс повторяется. Кристаллизация происходит слоями, которые располагаются параллельно фронту затвердевания. В зависимости от средней скорости кристаллизации в сварочной ванне могут расти столбчатые кристаллиты трех типов (рис. 2): гладкие, ячеистые и дендритные (древовидные). У линии сплавления (вблизи точки А) переохлаждение невелико, скорость кристаллизации мала. Фронт затвердевания гладкий, на нем нет выступов и впадин. Это гладкий рост кристаллитов. По мере увеличения переохлаждения на фронте затвердевания образуются выступы - начинается ячеистый рост. Ячеистые кристаллиты представляют собой ряд параллельных игл (ячеек), имеющих поперечный размер 10-5...10-6 см, между ячейками в пределах каждого кристаллита образуются субграницы. По мере увеличения переохлаждения увеличивается скорость кристаллизации, отдельные ячейки могут быстро прорастать в расплав в виде игл, образуя стволы (по оси первого порядка). От них по осям второго порядка растут ветви, на которых могут быть новые ветви, растущие по осям третьего порядка и т.д. Образуются древовидные кристаллиты-дендриты, происходит дендритный рост. Вблизи оси шва перед фронтом затвердевания переохлаждение может быть так велико, что на имеющихся в расплаве включениях, которые в этом случае будут служить центрами кристаллизации, начнут расти во всех направлениях неориентированные кристаллиты. Это автономный рост кристаллитов. Столбчатые кристаллиты прекращают свой рост, упираясь в закристаллизовавшуюся зону автономного роста.

Легирующие элементы и примеси в жидком металле в большинстве случаев растворяются лучше, чем в твердом. Поэтому в процессе кристаллизации происходит ликвация примесей, они выделяются из раствора и скапливаются по границам гладких и ячеистых кристаллитов и в пространствах между ветвями дендритов. Образуются ликвационные прослойки примесей, возникает химическая межкристаллитная и внутрикристаллитная неоднородность. Таким же образом возникает химическая неоднородность на границах кристаллизационных слоев.

Металл ликвационных прослоек более легкоплавок и чаще всего имеет пониженную прочность и пластичность по сравнению с металлом кристаллитов. Поэтому химическая неоднородность металла шва ухудшает его механические свойства. Особенно опасно скопление на границах кристаллитов серы и фосфора. Поскольку примеси ослабляют в основном границы кристаллитов, возникает различие в свойствах металла шва в зависимости от направления нагрузки (анизотропия свойств): в направлении преимущественного роста кристаллитов механические свойства выше, чем в перпендикулярном направлении.

Наименьшая химическая неоднородность возникает при гладком росте: примеси вследствие малой скорости кристаллизации оттесняются фронтом затвердевания, границы между кристаллитами тонкие. Больше примесей остается на границах кристаллитов и на субграницах ячеек при ячеистом росте. Наибольшая химическая неоднородность образуется при дендритном росте. Между автономными кристаллитами также образуются ликвационные прослойки, но здесь они менее опасны. Эти кристаллиты не имеют преимущественного направления роста, прослойки равномерно распределены в затвердевшем металле. Таким образом, наиболее опасны для качества сварного шва дендритные кристаллиты. Поэтому важно, чтобы первичная структура металла шва была мелкозернистой с незначительной химической неоднородностью. Этого можно добиться, вводя в сварочную ванну элементы-модификаторы или твердые частицы, которые послужат центрами для автономных кристаллитов.

Другой путь измельчения структуры шва - это физическое воздействие на ванну переменным электромагнитным полем или ультразвуком. При этом в объеме ванны возникают колебания, волны горячего металла подмывают растущие столбчатые кристаллиты, их обломки, не успевая полностью расплавиться, служат новыми центрами кристаллизации - структура измельчается. Разрушению вершин столбчатых кристаллитов способствуют механические напряжения в них, возникающие в результате колебаний металла. При дуговой сварке соленоид, генерирующий электромагнитное поле, устанавливают над ванной так, чтобы его ось совпадала с осью электрода, - образуется продольное относительно электрода поле. Ультразвук вводят в сварочную ванну через тугоплавкий стержень, один конец которого помещают в жидкий металл хвостовой части сварочной ванны, а второй конец жестко прикрепляют к концентратору генератора ультразвуковых колебаний. При сварке плавящимся электродом можно присоединить к концентратору мундштук сварочной горелки.

Измельчения структуры можно также добиться механическими низкочастотными колебаниями сварочной горелки или плавящегося электрода.

Вторичная кристаллизация и строение сварного соединения

С затвердеванием металла шва структурные превращения в нем не заканчиваются. Например, при сварке стали первичные кристаллиты сразу после их образования состоят из аустенита - твердого раствора углерода и легирующих элементов в γ-железе, существующего при высоких температурах (750... 1500 0С ). В процессе охлаждения аустенит распадается, превращаясь в зависимости от состава стали и скорости охлаждения в другие фазы: пластичный феррит, более прочный перлит и прочный, но малопластичный мартенсит. Скорость охлаждения зоны сварки обычно велика, и структурные превращения не успевают произойти до конца. Следовательно, меняя скорость охлаждения сварного соединения, подогревая или искусственно охлаждая его, можно в некоторых пределах управлять вторичной кристаллизацией металла шва и его механическими свойствами. Теплота, выделяемая источником нагрева, при сварке распространяется в основной металл. Его участки нагреваются до температуры плавления на границе сварочной ванны и имеют температуру окружающей среды вдали от нее. Это не может не сказаться на структуре металла. Зону основного металла, в которой в результате нагрева и охлаждения металла происходят изменения структуры и свойств, называют зоной термического влияниия (ЗТВ). Каждая точка в ЗТВ в зависимости от расстояния до оси шва достигает различной максимальной температуры, нагревается и охлаждается с различными скоростями. Изменение температуры данной точки во времени называют термическим циклом. Каждая точка ЗТВ имеет при сварке свой термический цикл. Значит, металл в ЗТВ подвергается в результате сварки нескольким видам термической обработки. Поэтому в ЗТВ наблюдаются четко выраженные участки с различной структурой и свойствами.

У каждого свариваемого материала в ЗТВ будут свои, характерные для этого материала, структурные участки. Наиболее наглядна эта структурная неоднородность ЗТВ при сварке плавлением низкоуглеродистой стали (рис. 3). Непосредственно к металлу шва примыкает участок неполного расплавления 1. Это тонкая (в несколько микрон) переходная полоска от металла шва к основному металлу, состоящая из частично оплавленных зерен основного металла. Металл участка неполного расплавления химически неоднороден, в нем концентрируются напряжения. Этот участок сильно влияет на свойства соединения в целом. За ним следует участок перегрева 2, В нем металл нагревается до температуры выше 1130 0С, зерно успевает сильно вырасти и при охлаждении не измельчается. Здесь возможно выделение пластичной фазы - феррита - не по границам зерен, а внутри их в виде иголок или пластинок. Такая структура называется видманштедтовой. Она обладает плохими механическими свойствами, в частности низкой ударной вязкостью. Участок неполного расплавления и участок перегрева вместе называют околошовной зоной. При температуре 900... 1100 0С образуется участок нормализации (полной перекристаллизации) с мелкозернистой структурой. В этом участке длительность пребывания металла при высокой температуре невелика, зерно не успевает вырасти, а при охлаждении - измельчается. Поэтому металл здесь имеет самые высокие механические свойства. Участок 4 неполной перекристаллизации определяется диапазоном температуры 723...900 0С. Конечная структура на этом участке состоит из крупных зерен, не успевших пройти перекристаллизацию, и расположенных между ними мелких зерен, образовавшихся при перекристаллизации. По механическим свойствам металл здесь хуже, чем на участке нормализации 3, но лучше, чем на участке перегрева. На участке рекристаллизации 5 металл нагревается до температуры 500...723 0С. Структура его не изменяется, но если сваривался металл, подвергавшийся холодной прокатке, или легированный металл после термообработки (например, закалки), то на этом участке восстановится исходная структура металла. При этом несколько уменьшится прочность, но возрастет пластичность металла.

Рис. 3. Структура зоны термического влияния при сварке плавлением низкоуглеродистой стали:
а - распределение максимальной температуры; б — термические циклы точек ЗТВ; в - структурные участки ЗТВ

На участке 6, нагревающемся до температуры ниже 500 0С, видимых изменений структуры не происходит. Однако металл здесь охлаждается очень медленно, подогреваясь от соседних участков, и поэтому вплоть до температуры 100 0С по границам зерен могут выделяться микроскопические частицы примесей. Это явление называют старением металла. В результате старения снижается вязкость, чему также способствуют образующиеся в процессе сварки пластические деформации металла вследствие его теплового расширения. Охрупчивание металла, нагревавшегося до температуры, при которой образуются синие цвета побежалости (200...400 0С ), называют синеломкостью, а участок 6 - участком синеломкости.

Ширина зоны термического влияния зависит от количества тепловой энергии, приходящейся на единицу длины шва, - погонной энергии. При ручной дуговой сварке, например, стали ширина ЗТВ составляет 5...6 мм, при газопламенной сварке она доходит до 25 мм.

Источник: Сварка и резка материалов: Учеб. пособие / М.Д. Банов, Ю.В. Казаков, М.Г. Козулин и др. - М.: Издательский центр Академия