Кристаллизация швов металла.

Кристаллизация сварочной ванны. Металл сварочной ванны при кристаллизации находится одновременно под воздействием теплоты сварочной дуги и холодного нерасплавленного металла детали. Дуга вводит теплоту, окружающий металл отводит теплоту.

При переходе металла из жидкого состояния в твердое образуются кристаллы. Такой процесс называют кристаллизацией. Кристаллизация сварного шва идет непрерывно в течение сварочного процесса — расплавления основного и присадочного металлов.

Сварной шов имеет структуру литого металла. В процессе сварки расплавляются кромки основного металла и электродная проволока, непрерывно подаваемая в сварочную ванну. Сварочная ванна может быть условно разделена на две части: переднюю и хвостовую. В передней части происходит плавление, а в хвостовой кристаллизация и формирование сварного шва. Различают первичную и вторичную кристаллизацию. Первичной кристаллизацией называется переход металла из жидкого состояния в твердое, в результате чего образуются кристаллы.

Вначале каждый кристаллик, образовавшийся в жидком металле, растет свободно и имеет правильную геометрическую форму. Одновременно развиваются и другие кристаллы. Когда они, увеличиваясь, начинают соприкасаться друг с другом, их правильная форма нарушается, они приобретают округленную форму в виде зерна. Такие кристаллы принято называть зернами. В зависимости от того как протекал процесс кристаллизации, зерна могут быть крупными, видимыми невооруженным глазом, и мелкими, которые можно рассмотреть только с помощью микроскопа. Кристаллическое строение металла или сплава называют структурой. Строение металлов, видимое невооруженным глазом или в лупу, называют макроструктурой, строение же металлов, которое можно увидеть только с помощью микроскопа, называют микроструктурой.

Кристаллизация сварных швов отличается от кристаллизации слитков высокими скоростями, поскольку после интенсивного нагрева сварочной ванны происходит быстрый отвод теплоты в свариваемое изделие.

Формирование свойств шовного металла.

Свойства металла определяются его составом и структурой. Структура литого металла, как правило, хуже структуры деформированного свариваемого основного металла. Наиболее эффективным средством улучшения свойств металла сварного шва является придание ему соответствующего химического состава.

Регулирование химического состава металла шва достигается с помощью сварочных материалов (обмазок электродов, сварочной проволоки и др.). Металл сварного шва представляет собой сплав свариваемого (основного) и присадочного металлов. На соотношение между основным и присадочным металлами в сварном шве влияют способ сварки, объем наплавленного металла, скорость сварки и др. Так, например, при ручной дуговой сварке количество основного металла в металле сварного шва составляет 30 — 40 процентов, а электродного металла 60 — 70 процентов.

Модифицирование металла шва. С целью улучшения механических свойств металла шва производят его модифицирование — введение в сварочную ванну малых добавок веществ, которые способствуют измельчению зерен металла шва, практически без изменения его химического состава. Такие добавки называют модификаторами. В качестве модификаторов для стали используются титан, алюминий, ванадий, цирконий и др.

Процесс модифицирования заключается либо в образовании в металле шва большого количества мелких, рассеянных (дисперсных) включений, являющихся дополнительными центрами кристаллизации, либо в обволакивании растущих в жидкости кристаллов поверхностно активными пленками, создающими барьер между кристаллом и жидкостью и препятствующими росту кристалла. В обоих случаях в результате кристаллизации появляется мелкозернистая структура.

Зональная и дендритная ликвация в шовном металле.

Ликвацией называют неравномерное распределение составляющих сплава, приводящее к неоднородности его химического состава. Ликвация обусловлена наличием в металле шва легирующих элементов и примесей (серы, фосфора, углерода и др.), не растворимых в нем или обладающих ограниченной растворимостью при температуре затвердевания. Зональная макроскопическая ликвация в металле шва характеризуется различным химическим составом периферийной и центральной его частей. Обусловлено это тем, что металл периферийных зон шва, затвердевающий в первую очередь, содержит минимальное количество ликвирующих примесей. Содержание же примесей в оставшемся жидком расплаве возрастает. По мере роста кристаллов расплав обогащается примесями, имеющими низкую температуру затвердевания. Они оттесняются к середине шва, поэтому центральная его часть оказывается наиболее загрязненной примесями; здесь возникает так называемая зона слабины шва. Ее можно обнаружить в однопроходных швах большого сечения.

Дендритная (внутрикристаллическая) микроскопическая ликвация характеризуется неоднородностью химического состава отдельных составляющих кристаллов. Это обусловлено тем, что при затвердевании металла шва первые кристаллы, образующие оси, а затем ветви дендритов содержат меньше примесей, чем исходный жидкий расплав. По мере роста осей и ветвей дендрита расплав обогащается примесями, и образовавшийся кристалл оказывается неоднородным по химическому составу: центральные части дендрита состоят из наиболее чистого твердого раствора, а меж дендритные пространства и особенно пограничные зоны его наиболее загрязнены.

Увеличение скорости охлаждения металла шва вызывает сокращение длительности пребывания металла сварочной ванны в двухфазном состоянии и сглаживание разницы между составом твердой и жидкой фаз, в результате чего дендритная ликвация менее заметна. Процессы ликвации зависят также от температуры начала и конца кристаллизации. Чем больше этот температурный интервал, тем интенсивнее процессы ликвации. Так, для малоуглеродистой стали температурный интервал кристаллизации составляет всего 20 — 30 градусов, поэтому значительного развития ликвация не получает. С повышением содержания углерода в стали температурный интервал кристаллизации резко возрастает, что способствует интенсивной ликвации металла. Это наряду с другими трудностями усложняет сварку сталей с повышенным содержанием углерода.www.vsedlyadoma.org