Глава 9. Основы сварки стали

Структура сварных соединений

Кристаллизация сварного шва протекает в характерных условиях, изложенных в ранее; средняя скорость кристаллизации равна скорости сварки. Процесс первичной кристаллизации начинается после продвижения дуги вдоль шва и прекращения ее действия на данный участок сварочной ванры. Жидкий метапл кристаллизуется в направлении, обратном отводу тепла в основной металл, т. е. от стенок ванны к центру (рис. 9.5, а). По границам расплавления образуются общие кристаллиты основного и нарлавленного металла, что обеспечивает их сплошность и прочностную связь.

Для сварного шва, как и для литого металла, характерна склонность к образованию столбчатой структуры. Рост столбчатых кристаллитов способствует вытеснению шлаковых и газовых включений (рис. 9.5, б). Первичная кристаллизация шва протекает так же, как в слитках и отливках, периодически волнообразно, что видно на рис. 9.5, в. В швах, особенно однопроходных, возможно образование зоны ликвации т. е. неравномерное расположение элементов н вредных примесей (рис. 9.5, г). Она ослабляет узкие швы, так как зона ликвации у них находится в центре шва. Менее опасна ликвация в широких швах, имеющих ширину более глубины в 1,5 и более раза, так как у них зона ликвации расположена в верхней части.

Рис. 9.5. Схемы кристаллизации металла шва
а — образование первичной структуры; 6 — вытеснение образующимися столбчатыми кристаллитами пузырьков газа, в — волнообразная структура шва, е — зоны ликвации в узких и широких швах, 1 — кристаллиты основного металла, 2— кристаллиты шва, 3 — образующиеся столбчатые кристаллиты; 4 — пузырьки газа; 5 — ликвационная зоиа в узких швах, 6 — ликвационная зона в широких швах

Первичная кристаллизация протекает быстро в связи с интенсивным охлаждением расплавленного металла и заканчивается для низкоуглеродистой стали с понижением температуры от момента начала кристаллизации всего на 20—30 °С. Это соответствует температуре 1510— 1480°С. После окончания первичной кристаллизаций металл приобретает аустенитную структуру в пределах первичных столбчатых кристаллитов. При дальнейшем понижении температуры структурные изменения в стали не наблюдаются (для низкоуглеродистой стали) до 850—900 °С, после чего начинаются последующие структурные изменения, называемые вторичной кристаллизацией.

В металле шва и прилегающем к нему основном металле они проходят также в небольшом температурном интервале, начиная примерно с 850— 900 °С до 723° С, после чего сталь приобретает постоянную микроструктуру (исследованную под микроскопом) . Металл шва, осбенно многослойного, характерен мелкозернистой структурой и равномерным распределением зерен феррита (Fe, содержащего не более 0,07 % С) и перлита (раствор карбида железа в Fe). Прилегающий к шву участок основного металла, не подвергавшийся расплавлению, структура и свойства которого изменились в результате нагрева при сварке или наплавке, называют зоной термического влияния при сварке. Эта зона имеет несколько участков с различной структурой и свойствами (рис. 9.6):

участок зоны, сплавления (1); здесь происходит сварка — формирование кристаллитов, соединение основного металла и металла ванны; свойства этой зоны сплавления часто определяют качество сварного соединения;
участок перегрева (2), подвергавшийся нагреву до температуры 1100—1400°С, имеет крупнозернистую структуру и при повышенной погонной энергии в стали с увеличенным содержанием углерода может стать причиной низкой пластичности и вязкости cap-ного соединения;

Рис. 9 6. Микроструктура зоны термического влияния
1 — участок твердожидкого состояния; 2 — участок перегрева; 3 — участок перекристаллизации (нормализации); 4 — участок неполной перекристаллизации; 5 — участок старения при рекристаллизации; 6 — участок синеломкости

участок перекристаллизации (нормализации) (5), подвергавшийся воздействию температур 850—1100 °С. Эта температура благоприятно влияет на образование мелкого зерна, что обеспечивает высокие механические свойства участка;
участок неполной перекристаллизации (4), подвергавшийся воздействию температур 720—850°С, характеризуется частичным появлением новых зерен в основном металле;
участок старения при рекристаллизации (5), подвергавшийся воздействию температур 450 — 700 °С. Здесь происходят рост зерен феррита из их раздробленных частей (рекристаллизация), полученных при пластической деформации металла, и процесс старения, заключающийся в выделении изботычного С и N в виде нитридов и карбидов вокруг решетки стали, что сопровождается повышением прочности и снижением пластичности. При сварке литых сплавов, не подвергавшихся пластической деформации, этот участок отсутствует;
участок синеломкости (6), подвергавшийся нагреву до 100—450 °С, не имеет заметных структурных изменений, однако при сварке низкоуглероднстой стали, содержащей повышенный процент газов (O₂, N₂, Н₂), наблюдается на этом участке выделение их избытка в структурную решетку металла, что также повышает прочность, но снижает пластичность и вязкость металла.