Строение зоны термического влияния при сварке низкоуглеродистых и низколегированых сталей
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 сказывается на структуре металла.
Зона термического влияния (ЗТВ) – зона основного металла, не подвергшаяся расплавлению, структура и свойства в которой изменились в результате нагрева и охлаждения при сварке или наплавке.
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.
Характер этих превращений и протяженность зоны термического влияния зависят от состава и теплофизических свойств свариваемого металла, способа и режима сварки, типа сварного соединения и т.п.
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.
Строение ЗТВ низкоуглеродистой стали. На рисунке 1 слева показаны поперечное сечение стыкового сварного соединения при однослойной сварке низкоуглеродистой стали, кривая распределения температур по поверхности сварного соединения в момент, когда металл шва находится в расплавленном состоянии, и структуры различных участков зоны термического влияния шва после сварки, образованные в результате действия термического цикла сварки. Эта схема – условная, так как кривая распределения температур по поверхности сварного соединения во время охлаждения меняет свой характер.
На участке неполного расплавления объемы металла нагревались в интервале температур между солидусом (температуры завершения кристаллизации) и ликвидусом (температуры расплавления метала), что приводило к частичному расплавлению (оплавлению) зерен металла. Пространство между нерасплавившимися зернами заполнено жидкими прослойками, связанными с металлом сварочной ванны. Поэтому в него могли проникать и элементы, вводимые в металл сварочной ванны. В результате состав металла на этом участке может отличаться от состава основного металла, а за счет нерасплавившихся зерен основного металла – и от состава металла шва.
Слоистая ликвация способствует увеличению химической неоднородности металла на этом участке по сравнению с металлом шва. Состав и структура металла в этой зоне зависят также от диффузии элементов, которая может проходить как из основного нерасплавившегося металла в жидкий металл, так и наоборот. Этот участок по существу и является местом сварки. Его протяженность зависит от состава и свойств металла, способа сварки и обычно не превышает 0,5 мм. Однако свойства металла на этом участке оказывают решающее влияние на свойства всего сварного соединения.
Зона термического влияния (ЗТВ) – зона основного металла, не подвергшаяся расплавлению, структура и свойства в которой изменились в результате нагрева и охлаждения при сварке или наплавке.
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.
Характер этих превращений и протяженность зоны термического влияния зависят от состава и теплофизических свойств свариваемого металла, способа и режима сварки, типа сварного соединения и т.п.
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.
Строение ЗТВ низкоуглеродистой стали. На рисунке 1 слева показаны поперечное сечение стыкового сварного соединения при однослойной сварке низкоуглеродистой стали, кривая распределения температур по поверхности сварного соединения в момент, когда металл шва находится в расплавленном состоянии, и структуры различных участков зоны термического влияния шва после сварки, образованные в результате действия термического цикла сварки. Эта схема – условная, так как кривая распределения температур по поверхности сварного соединения во время охлаждения меняет свой характер.
На участке неполного расплавления объемы металла нагревались в интервале температур между солидусом (температуры завершения кристаллизации) и ликвидусом (температуры расплавления метала), что приводило к частичному расплавлению (оплавлению) зерен металла. Пространство между нерасплавившимися зернами заполнено жидкими прослойками, связанными с металлом сварочной ванны. Поэтому в него могли проникать и элементы, вводимые в металл сварочной ванны. В результате состав металла на этом участке может отличаться от состава основного металла, а за счет нерасплавившихся зерен основного металла – и от состава металла шва.
Слоистая ликвация способствует увеличению химической неоднородности металла на этом участке по сравнению с металлом шва. Состав и структура металла в этой зоне зависят также от диффузии элементов, которая может проходить как из основного нерасплавившегося металла в жидкий металл, так и наоборот. Этот участок по существу и является местом сварки. Его протяженность зависит от состава и свойств металла, способа сварки и обычно не превышает 0,5 мм. Однако свойства металла на этом участке оказывают решающее влияние на свойства всего сварного соединения.
Рис.1
На участке перегрева металл нагревался в интервале температур от 1100-1150 °С до линии солидуса (температуры завершения кристаллизации). Металл, нагревавшийся выше температуры Ас3, полностью переходит в состояние аустенита, при этом происходит рост зерна, размеры которого увеличиваются тем больше, чем выше температура металла. Даже непродолжительное пребывание металла при температурах свыше 1100 °С приводит к значительному увеличению размера зерен.
Металл, нагретый незначительно выше температур Ас3, имеет мелкозернистую структуру с высокими механическими свойствами. Этот участок называется участком нормализации (перекристаллизации).
На участке неполной перекристаллизации металл нагревался до температуры между Ac1 и Ас3. Поэтому он характеризуется почти неизменным ферритным зерном и некоторым измельчением и сфероидизацией перлитных участков.
Металл, нагревавшийся в интервале температур 500-550 °С до Ас1 (участок рекристаллизации), по структуре незначительно отличается от основного. Если до сварки металл подвергался пластической деформации, то при нагреве в нем происходит сращивание раздробленных зерен основного металла — рекристаллизация. При значительной выдержке при этих температурах может произойти значительный рост зерен. Механические свойства металла этого участка могут несколько снизиться из-за разупрочнения ввиду снятия наклепа.
Металл, нагретый незначительно выше температур Ас3, имеет мелкозернистую структуру с высокими механическими свойствами. Этот участок называется участком нормализации (перекристаллизации).
На участке неполной перекристаллизации металл нагревался до температуры между Ac1 и Ас3. Поэтому он характеризуется почти неизменным ферритным зерном и некоторым измельчением и сфероидизацией перлитных участков.
Металл, нагревавшийся в интервале температур 500-550 °С до Ас1 (участок рекристаллизации), по структуре незначительно отличается от основного. Если до сварки металл подвергался пластической деформации, то при нагреве в нем происходит сращивание раздробленных зерен основного металла — рекристаллизация. При значительной выдержке при этих температурах может произойти значительный рост зерен. Механические свойства металла этого участка могут несколько снизиться из-за разупрочнения ввиду снятия наклепа.
При нагреве металла в интервале температур 100-500 °С (участок старения) его структура в процессе сварки не претерпевает видимых изменений. Однако в некоторых сталях, содержащих повышенное количество кислорода и азота (обычно кипящих), их нагрев при температурах 150-350 °С сопровождается резким снижением ударной вязкости и сопротивляемости разрушению.
Многослойная сварка. Многослойная сварка ввиду многократного воздействия термического цикла сварки на основной металл в околошовной зоне изменяет строение и структуру ЗТВ. При сварке длинными участками после каждого последующего прохода предыдущий шов подвергается своеобразному отпуску.
При сварке короткими участками шов и околошовная зона длительное время находятся в нагретом состоянии. Помимо изменения структур, это увеличивает и протяженность ЗТВ. Последующие слои термически воздействуют на ранее наплавленные швы, имеющие структуру литого металла, и создают в них ЗТВ, строение и структура которой значительно отличаются от ЗТВ в основном металле, подвергавшемся прокатке. Эта зона на участке перегрева обычно не имеет крупного зерна и характеризуется мелкозернистыми структурами с повышенными пластическими свойствами.
Основным фактором, определяющим после окончания сварки конечную структуру металла в отдельных участках ЗТВ, является термический цикл, которому подвергался металл этого участка при сварке. Решающими факторами являются максимальная температура, достигаемая металлом в рассматриваемом объеме, и скорость его охлаждения. Ширина и конечная структура различных участков ЗТВ определяются способом и режимом сварки, составом и толщиной основного металла. Общая протяженность ЗТВ достигает 30 мм. При концентрированных источниках теплоты протяженность зоны меньше.
Рассмотренное строение ЗТВ – приближенно. При переходе от одного структурного участка к другому имеются промежуточные структуры. Кроме того, диаграмму железо-углерод рассматриваем статично, в какой-то момент существования сварочной ванны. В действительности температура в точках ЗТВ изменяется во времени в соответствии с термическим циклом сварки.
Строение ЗТВ низколегированной стали. Повышение прочности низколегированных сталей достигается легированием их элементами, которые растворяются в феррите и измельчают перлитную составляющую. Наличие этих элементов при охлаждении тормозит процесс распада аустенита и действует равносильно некоторому увеличению скорости охлаждения. Поэтому при сварке в ЗТВ на участке, где металл нагревался выше температур Ac1, при повышенных скоростях охлаждения могут образовываться закалочные структуры. Металл, нагревавшийся до температур значительно выше Ас3, будет иметь более грубозернистую структуру.
При сварке термически упрочненных сталей на участках рекристаллизации и старения может произойти отпуск металла с образованием структуры сорбита отпуска и понижением прочностных свойств металла. Технология изготовления сварных конструкций из низколегированных сталей должна предусматривать минимальную возможность появления в ЗТВ закалочных структур, способных привести к холодным трещинам, особенно при сварке металла больших толщин. При сварке термически упрочненных сталей следует принимать меры, предупреждающие разупрочнение стали на участке отпуска.
Термины и определения. Сварное соединение и ЗТВ характеризуются изменениями свойств, которые имеют свои названия.
Механическая неоднородность сварного соединения – различие механических свойств отдельных участков сварного соединения.
Мягкая прослойка сварного соединения – участок сварного соединения, в котором металл имеет пониженные показатели твердости и (или) прочности по сравнению с металлом соседних участков.
Твердая прослойка сварного соединения – участок сварного соединения, в котором металл имеет повышенные показатели твердости и (или) прочности по сравнению с металлом соседних участков.
Разупрочненный участок сварного соединения – участок зоны термического влияния, в котором произошло снижение прочности основного металла.
Контактное упрочнение мягкой прослойки – повышение сопротивления деформированию мягкой прослойки сварного соединения за счет сдерживания ее деформаций соседними более прочными его частями.
Материал заимствован из книги: Лупачев, А. В. Технология сварки плавлением : учеб. пособие / А. В. Лупачев, В. Г. Лупачев. - Минск : РИПО, 2020. - 288 с. См. страницы 103-108.
Многослойная сварка. Многослойная сварка ввиду многократного воздействия термического цикла сварки на основной металл в околошовной зоне изменяет строение и структуру ЗТВ. При сварке длинными участками после каждого последующего прохода предыдущий шов подвергается своеобразному отпуску.
При сварке короткими участками шов и околошовная зона длительное время находятся в нагретом состоянии. Помимо изменения структур, это увеличивает и протяженность ЗТВ. Последующие слои термически воздействуют на ранее наплавленные швы, имеющие структуру литого металла, и создают в них ЗТВ, строение и структура которой значительно отличаются от ЗТВ в основном металле, подвергавшемся прокатке. Эта зона на участке перегрева обычно не имеет крупного зерна и характеризуется мелкозернистыми структурами с повышенными пластическими свойствами.
Основным фактором, определяющим после окончания сварки конечную структуру металла в отдельных участках ЗТВ, является термический цикл, которому подвергался металл этого участка при сварке. Решающими факторами являются максимальная температура, достигаемая металлом в рассматриваемом объеме, и скорость его охлаждения. Ширина и конечная структура различных участков ЗТВ определяются способом и режимом сварки, составом и толщиной основного металла. Общая протяженность ЗТВ достигает 30 мм. При концентрированных источниках теплоты протяженность зоны меньше.
Рассмотренное строение ЗТВ – приближенно. При переходе от одного структурного участка к другому имеются промежуточные структуры. Кроме того, диаграмму железо-углерод рассматриваем статично, в какой-то момент существования сварочной ванны. В действительности температура в точках ЗТВ изменяется во времени в соответствии с термическим циклом сварки.
Строение ЗТВ низколегированной стали. Повышение прочности низколегированных сталей достигается легированием их элементами, которые растворяются в феррите и измельчают перлитную составляющую. Наличие этих элементов при охлаждении тормозит процесс распада аустенита и действует равносильно некоторому увеличению скорости охлаждения. Поэтому при сварке в ЗТВ на участке, где металл нагревался выше температур Ac1, при повышенных скоростях охлаждения могут образовываться закалочные структуры. Металл, нагревавшийся до температур значительно выше Ас3, будет иметь более грубозернистую структуру.
При сварке термически упрочненных сталей на участках рекристаллизации и старения может произойти отпуск металла с образованием структуры сорбита отпуска и понижением прочностных свойств металла. Технология изготовления сварных конструкций из низколегированных сталей должна предусматривать минимальную возможность появления в ЗТВ закалочных структур, способных привести к холодным трещинам, особенно при сварке металла больших толщин. При сварке термически упрочненных сталей следует принимать меры, предупреждающие разупрочнение стали на участке отпуска.
Термины и определения. Сварное соединение и ЗТВ характеризуются изменениями свойств, которые имеют свои названия.
Механическая неоднородность сварного соединения – различие механических свойств отдельных участков сварного соединения.
Мягкая прослойка сварного соединения – участок сварного соединения, в котором металл имеет пониженные показатели твердости и (или) прочности по сравнению с металлом соседних участков.
Твердая прослойка сварного соединения – участок сварного соединения, в котором металл имеет повышенные показатели твердости и (или) прочности по сравнению с металлом соседних участков.
Разупрочненный участок сварного соединения – участок зоны термического влияния, в котором произошло снижение прочности основного металла.
Контактное упрочнение мягкой прослойки – повышение сопротивления деформированию мягкой прослойки сварного соединения за счет сдерживания ее деформаций соседними более прочными его частями.
Материал заимствован из книги: Лупачев, А. В. Технология сварки плавлением : учеб. пособие / А. В. Лупачев, В. Г. Лупачев. - Минск : РИПО, 2020. - 288 с. См. страницы 103-108.