Строение сварных соединений

ВЛИЯНИЕ СВАРОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА СВОЙСТВА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ И НАПЛАВЛЕННЫХ СЛОЕВ

Строение сварных соединений

Сварные соединения работают в различных условиях, в связи с чем к ним предъявляются и различные требования.

В большинстве случаев основным требованием, предъявляе­мым к сварным соединениям, является обеспечение ими необхо­димой механической прочности конструкции. В качестве других требований могут быть отмечены: обеспечение плотности (герме­тичности), химической стойкости, жаропрочности и др. В ряде случаев требования могут быть комплексными: например, сварные соединения некоторых трубопроводов должны быть и прочными, и плотными; соединения корпусов судов — прочными, плотными и коррозионностойкими вслабоагрессивных средах (вода, морская вода); в химических агрегатах — и прочными, и плотными, и химически стойкими.

С точки зрения гарантии свойств и служебных характеристик конструкции безразлично, за счет какой составляющей — основ­ного металла или любой зоны сварного соединения (металла шва, зоны термического влияния, зоны сплавления) она окажется ненадежной, разрушится, выйдет из строя, перестанет выполнять свое назначение. Поэтому в сварных соеди­нениях в целом необходимо обеспечивать, чтобы комплекс их свойств отвечал требуемой надежности в условиях эксплуатации. В связи с этим все составляющие сварных соединений должны обеспечивать необходимую надежность сварных конструкций.

Рассмотрим схему сварного соединения.

Расплавившийся при сварке металл и впоследствии закристал­лизовавшийся образует металл шва, имеющий либо литую структуру (при однослойной сварке, выполняемой в один проход на все сечение), либо структуру литого металла, подвергшегося в некоторой своей части дополнительной термической обработке при последующих нагревах (в случае выполнения свар­ки в несколько проходов).

Металл шва своими кри­сталлами (образовавшимися при кристаллизации метал­лическими связями) связан с зернами нерасплавлявшегося при сварке сваривае­мого металла, обычно не литого, а получившего перед сваркой термопластическую обра­ботку (проковку, прокатку), иногда холодную пластическую (хо­лодную прокатку, гибку и пр.), а также термическую обработку (нормализацию, закалку и др.). Переходот металла шва к не­расплавлявшемуся при сварке основному металлу называется обычно границей сплавления, хотя по существу она имеет ту или иную линейную протяженность и является зоной сплавления. Такая зона должна включать в себя не только участок металла, расплавленного частично(участок, где при сварке имело место двухфазное твердо - жидкое состояние, но и прилегающие к ней участки полностью нерасплавленного основного металла и металла шва, по химиче­скому составу отличающихся и от основного свариваемого металла и от более удаленных от этой зоны участков металла шва.

Далее от металла шва, за зоной сплавленияв сварном соединении располагается зона термического влияния. Металл этой зоны по химическому составу обычно по всем элементам, кроме водорода (который может в нее диффундировать при сварке), аналогичен свари­ваемому основному металлу, но может от него отличаться струк­турой и свойствами.

Для металлов, обладающих полиморфизмом, в такой зоне обычно заметно изменяется структура в участках, где температура нагрева при сварке превосходила критические температуры. После обычного при сварке ускоренного охлаждения в этих зонах получаются неравновесные структуры продуктов распада, естественно, со своими особыми свойствами.

Вся зона термического влияния, как правило, неоднородна по структуре и в своих отдельных участках имеет заметно изме­няющиеся свойства. В некоторых случаях общая работоспособ­ность сварного соединения определяется размером и свойствами определенного участка зоны термического влияния.

За зоной термического влияния следует не измененный ни по структуре, ни по свойствам основной металл.

В большинстве случаев для обеспечения надежной работы конструкции должен быть правильно выбран материал, в част­ности металл, для ее изготовления. При правильном выборе ме­талла комплекс его свойств обеспечивает все необходимые эксплуа­тационные, рабочие характеристики конструкции. Материал свар­ных соединений также должен обеспечивать надежную работу сварной конструкции в целом.

С этой точки зрения свойства основного металла могут рассматриваться как эталон, воспроиз­ведение свойств которого в сварных соединениях решает задачу надежности всей сварной конструкции.

Рассмотрим свойства составляющей сварного соединения: основной металл—металл шва.

Металл шва — литой металл, правда, полученный в специфи­ческих условиях обработки и кристаллизации, характерных для сварки. Основной металл в большинстве случаев улучшается термопластической, а иногда и термической обработкой.

Чем же обеспечить сопоставимость свойств литого металла шва и улучшенного основного металла?

Свойства металлов и сплавов определяются их химическим составом и структурой. Так как в ряде случаев даже относительно благоприятная литая структура сварного шва все же хуже улуч­шенной структуры основного металла, то одним из наиболее действенных средств улучшения его свойств является подбор хими­ческого состава металла шва, позволяющего относительно сбли­зить его свойства со свойствами основного металла, обычно улуч­шенного дополнительной обработкой. Поэтому, как правило, при выполнении сварки стремятся полу­чить состав металла шва, отличающийся от основного металла, но имеющий необходимые свойства, например прочностные, близкие к эталону — основному металлу.

Регулировать состав металла шва можно используя необхо­димые для этих целей сварочные материалы. Так, обычно состав однопроходного металла шва образуется в результате смешивания расплавленных основного и добавочного (наплавляемого) метал­лов. Наплавленный металл — это продукт перера­ботки сварочных материалов (присадочной или электродной про­волоки, плавящихся электродов и пр.) при конкретном способе сварки, поступивший через ванну в металл сварного шва. Выби­рая для каждого конкретного способа сварки соответствующие сварочные материалы, можно активно воздействовать на состав металла шва и, как следствие, обеспечивать его свойства, т. е. выбор сварочных материалов определяет возможность активного регулирования состава и свойств металла шва.

Зона сплавления, как указано выше, в основном определяется переходными составами металла от основного к шву. Большая ее часть находится при сварке в расплавленном или полурасплав­ленном состоянии. Поэтому в той или иной степени состав ме­талла зоны сплавления также связан с составом металла ванны, а следовательно, с составом наплавляемого металла. Иными словами, подбор сварочных материалов является важным сред­ством активного вмешательства также и в свойства металла зоны сплавления.

Свойства зоны термического влияния в основном определяются термопластическим циклом, сопровождающим выполнение сварки и связанным со способом и режимом сварки. Они определяют скорости нагрева металла и сварочной ванны, длительность пребывания их при высоких темпе­ратурах, вызывающего рост зерна и другие явления, а также ско­рости охлаждения, весьма важные для конечных свойств металла. Поэтому в большинстве случаев средством активного вмешатель­ства в свойства металла зон термического влияния является пра­вильный выбор способа сварки и режима сварки.

Однако, в некоторых случаях на свойства металла зон терми­ческого влияния влияет и пра­вильный выбор сварочных материалов. Это влияние определяется как количеством водорода, диффундирующего из шва в зону тер­мического влияния, так и полем собственных внутренних напря­жений в околошовной зоне, связанным с соотношением составов и свойств металлов шва и зоны термического влияния. Пласти­ческие свойства сварных соединений, иногда сразу после сварки невысокие, восстанавливаются, возрастая в несколько раз после выдержки при комнатной температуре. Темп и степень такого повышения пластичности часто определяются количеством водо­рода, вводимого в металл шва при том или ином способе сварки и применяемых сварочных материалах.

К ряду изделий предъявляются специфические требования в отношении свойств поверхностей деталей, узлов или всей кон­струкции. Так, например, поверхности рельсов, направляющих станков и пр. работают на истирание, абразивный износ. У дру­гих изделий поверхность может работать в контакте с химически агрессивными газами или жидкостями (этот металл должен быть химически стойким). Иногда эти условия усложняются одновре­менным действием повышенных температур и ударного механического воздействия (например, клапаны двигателей).

Одним из наиболее эффективных средств получения таких дета­лей (изделий) является комбинирование в них двух металлов, при­чем из одного делается основная часть детали, обеспечивающая ее форму, размеры, прочность, а из другого — поверхности, рабо­тающие в особых условиях. Как распространенный метод решения этой задачи известна наплавка, которая заключается в том, что на соответствующие поверхности сварочными методами наплав­ляют слои металла, имеющего необходимые свойства.

Наплавка, осуществленная сварочными методами на основ­ной металл, также будет сопровождаться наличием зоны сплав­ленияи зоны термического влияния.

В связи с тем, что к слою наплавки, особенно к ее поверх­ности, предъявляются обязательные требования специфичности свойств, это обычно достигается выбором состава металла на­плавки. Его можно получить радикально отличающимся от со­става основного металлатолько путем применения специальных наплавочных материалов.

Таким образом, и в этом случае методом активного, влияния на состав, а следовательно, и свойства наплавленных слоев по­верхностей является выбор сварочных (наплавочных) материалов. При этом необходимо учитывать сварочные свойства материала, на который производится наплавка, так как довольно часто опре­деляющим при наплавке являются не свойства наплавляемого материала, а те дефекты, которые возникают в районе зоны сплав­ления (трещины, отколы и т. п.).

Подобным же примером может служить, например, пайка, при которой свойства соединений и их надежность также во многом зависят от правильного выбора материала — припоя.

Поиск по сайту: