Урок №53 Кристаллизация металла шва.

Сварной шов при дуговой сварке формируется путем кристаллизации расплавленного металла сварочной ванны. Кристаллизацией называют процесс образования кристаллов металла из расплава при переходе его из жидкого в твердое состояние. Образующиеся при этом кристаллы металла принято называть кристаллитами. Сварочная ванна условно может быть разделена на две области: переднюю (головную) и заднюю (хвостовую). В передней части горит дуга и происходит нагревание и расплавление металла, а в хвостовой – охлаждение и кристаллизация расплава. В процессе образования шва различают первичную и вторичную кристаллизации. Первичной кристаллизацией называют непосредственный переход металла из жидкого состояния в твердое с образованием первичных кристаллитов (зерен). Она происходит при высоких скоростях охлаждения и затвердевания. Теплота отводится в основной металл, окружающий сварочную ванну. В общем виде процесс кристаллизации состоит из двух стадий: образования центров кристаллизации (зародышей) и роста кристаллов от этих центров. При первичной кристаллизации металла шва в качестве центров кристаллизации являются поверхности оплавленных зерен основного металла, окружающих сварочную ванну. При этом между основным металлом и металлом шва возникают общие зерна. Условную поверхность раздела между зернами основного металла и кристаллитами шва называют зоной сплавления при сварке. В процессе затвердевания в расплаве могут появляться и новые центры кристаллизации – тугоплавкие частицы примесей, обломки зерен и т.п. 62 При многослойной сварке центрами кристаллизации являются поверхности выросших кристаллитов предыдущего слоя. Рост кристаллитов происходит в результате присоединения к их поверхности отдельных атомов из окружающего расплава. В зависимости от формы и расположения кристаллитов в строении затвердевшего металла шва различают столбчатую и зернистую структуру. При столбчатой структуре кристаллиты имеют определенную ориентированность – вытянуты в одном направлении, противоположном направлению теплоотвода. В свою очередь, столбчатые кристаллиты сами могут иметь ячеистое, ячеисто-дендритное или дендритное строение. При ячеистом строении столбчатый кристаллит растет от поверхности общего центра в виде пачки тонких кристаллов, расположенных в пределах одного зерна и ориентированных в одном направлении. Это наблюдается при высокой скорости отвода теплоты. По мере снижения скорости теплоотвода характер строения его изменяется, переходя к ячеисто-дендритной и дендритной форме. При дендритном строении в кристаллите, помимо осей первого порядка, получают развитие и оси второго и третьего порядков. При зернистой структуре металла шва кристаллиты не имеют определенной ориентировки, а по форме напоминают многогранники. Такая структура обычно характерна для основного металла, а также может встречаться в швах с большим объемом сварочной ванны и при малых скоростях охлаждения расплава. Поэтому за кристаллизовавшийся металл шва в большинстве случаев имеет столбчатое строение. В зависимости от условий сварки размеры столбчатых кристаллитов изменяются в широких пределах. При дуговой сварке их размер в поперечном сечении обычно порядка 0,3–3,0 мм. Первичная кристаллизация металла сварочной ванны носит прерывистый характер. После начала кристаллизации через некоторое время происходит задержка в росте кристаллитов в связи с выделением скрытой теплоты плавления металла. По мере отвода теплоты процесс роста вновь убыстряется до следующей задержки. Так повторяется до полного затвердевания всей ванны. В результате этого сварные швы имеют характерное слоистое строение  Толщина кристаллизационных слоев измеряется в пределах от десятых долей до нескольких миллиметров в зависимости от объема ванны и условий теплоотвода. Столбчатые кристаллиты каждого последующего слоя являются продолжением кристаллитов предыдущего слоя. В итоге образующиеся кристаллиты как бы прорастают из слоя в слой. Схема кристаллизации расплава в сварочной ванне: 1 – зона сплавления; 2 – зерна основного металла; 3 – кристаллизационные слои; 4 – растущие кристаллы Характер получаемой структуры и расположения кристаллитов в металле шва во многом определяются формой сварочной ванны и схемой ее кристаллизации. Кристаллиты растут перпендикулярно границе сплавления в направлении, противоположном отводу теплоты. При кристаллизации сварочной ванны с узким, глубоким проплавлением кристаллиты растут от противоположных стенок навстречу друг другу. При этом перед фронтом кристаллизации накапливаются различного рода примеси. В результате по оси шва, в месте стыка вершин кристаллитов, растущих с противоположных сторон ванны, образуется область ослабления, в которой могут располагаться разные включения  Схема кристаллизации расплава в зависимости от формы сварочной ванны: а – узкая сварочная ванна с глубоким проплавлением; б – широкая сварочная ванна При затвердевании широкой сварочной ванны с небольшим проплавлением схема кристаллизации существенно отличается – кристаллиты соприкасаются не вершинами, а боковыми гранями, а примеси, концентрирующиеся перед фронтом кристаллизации, вытесняются на поверхность шва в виде шлаков. Такие швы более устойчивы против образования трещин  В процессе кристаллизации состав жидкого металла ванны непрерывно изменяется. Поэтому одновременно с кристаллизацией в нем развиваются диффузионные процессы, стремящиеся к однородному соста- 64 ву металла как внутри кристаллитов, так и между затвердевшими кристаллитами и еще оставшимся жидким расплавом. Однако из-за различия скоростей роста кристаллитов и процессов диффузии, являющихся более медленными, полного выравнивания состава не происходит. Это приводит к возникновению неравномерности в распределении элементов сплава свариваемого шва – химической неоднородности металла шва. Различают макроскопическую и микроскопическую неоднородность. Первый вид характеризуется неравномерностью состава в отдельных областях металла по сечению шва (зональная ликвация). При микроскопической неоднородности наблюдается неравномерность состава металла в пределах отдельных кристаллитов (микроскопическая ликвация). За счет ликвации создается химическая неоднородность металла шва. Преимущественное развитие в сварных швах обычно имеет внутридендритная неоднородность. Интенсивность проявления ликвационных процессов зависит от условий сварки. Чем больше скорость затвердевания металла, тем в меньшей степени проявляется ликвация. Вид и степень химической неоднородности оказывают существенное влияние на свойства металла шва, стойкость его против образования трещин и др. Изучение и анализ строения металла шва проводят путем выявления его кристаллического строения на специально приготовленных шлифах поперечных и продольных сечений. При этом различают понятия «макроструктура» и «микроструктура». Макроструктурой называют строение металла шва, выявляемое при осмотре невооруженным глазом или при небольших увеличениях с помощью луп или бинокулярных микроскопов. При этом удается выявлять общий характер строения металла (столбчатое, зернистое), форму провара, наличие дефектов (поры, трещины, включения и т.п.). Микроструктура металла шва характеризует его тонкое строение, выявляемое на шлифах с помощью металлографических микроскопов с высокой степенью увеличения (строение кристаллитов, наличие внутридендритной ликвации, микродефектов

ОБРАЗОВАНИЕ ТРЕЩИН И ГАЗОВЫХ ПОР В МЕТАЛЛЕ ШВА В процессе кристаллизации сварочной ванны в металле шва возможно образование трещин. По расположению относительно оси шва они могут быть продольными и поперечными, в зависимости от величины – микро- и макроскопическими (первые из них обнаруживаются с помощью микроскопа, а вторые – невооруженным глазом); в зависимости от температур, при которых они образуются, трещины разделяют на 65 две группы: горячие (высокотемпературные) и холодные (низкотемпературные). Механизм их возникновения различен. Горячие трещины представляют собой хрупкие межкристаллические разрушения металла шва и околошовной зоны, возникающие в процессе кристаллизации в твердо-жидком состоянии, а также при высоких температурах в твердом состоянии. Трещины, как правило, располагаются по границам кристаллитов и вызывают межкристаллическое разрушение. Объясняется это тем, что при затвердевании металла шва в процессе первичной кристаллизации между кристаллитами располагаются жидкие прослойки, имеющие небольшую температуру плавления. Если возникающие в это время в металле растягивающие внутренние напряжения (вследствие линейной усадки при охлаждении) будут достаточно велики, то по этим прослойкам произойдет разрушение с образованием трещины. Если же процесс полного затвердевания расплава заканчивается до появления больших растягивающих напряжений, то горячие трещины не образуются. Образованию горячих трещин способствует содержание в металле шва примесей – серы, фосфора и др. Так, сера образует легкоплавкий сульфид железа FeS, располагающийся при кристаллизации по границам зерен и увеличивающий вероятность образования трещин. На образовании трещин сказывается также форма и схема кристаллизации сварочной ванны. Узкие швы с глубоким проплавлением более склонны к образованию трещин, чем широкие швы с небольшим проплавлением. Для уменьшения опасности образования горячих трещин применяют следующие меры: используют сварочные материалы с минимальным содержанием серы, углерода, фосфора; повышают в металле шва содержание марганца, который связывает серу в более тугоплавкое соединение – сульфид марганца; проводят рафинирование (очистку) расплава ванны от серы с помощью введения компонентов, содержащих кальций. Холодные трещины в структуре металла располагаются как по границам, так и по телу зерен. Поэтому они представляют собой внутрикристаллические разрушения. Холодные трещины в сварных соединениях образуются при температурах 200–300 ºС. Чаще всего они образуются в швах при сварке закаливающихся сталей. На склонность металла к образованию холодных трещин оказывает влияние повышенное содержание углерода и элементов, облегчающих закалку, наличие в шве водорода, загрязнение фосфором, быстрое охлаждение и наличие в швах внутренних напряжений. С целью уменьшения склонности металла к образованию холодных трещин применяют следующие меры: используют материалы с минимальным содержанием фосфора, уменьшают насыщение сварочной ванны водородом и азотом, принимают меры для уменьшения внутренних напряжений. Поры в сварных швах возникают при первичной кристаллизации металла сварочной ванны в результате выделения газов. Поры представляют собой полости в швах, заполненные газом, имеющие сферическую, вытянутую или более сложные формы. Поры могут располагаться по оси шва, его сечению или вблизи границы сплавления. Они могут быть скрытыми в металле или выходить на поверхность, располагаться цепочками, отдельными группами или одиночно, могут быть микроскопическими и крупными (до 4–6 мм в диаметре). Поры при сварке в основном возникают за счет газов водорода, азота и оксида углерода, образующихся в результате химических реакций с выделением газовых продуктов, выделения газов в связи с разной растворимостью их в жидком и твердом металле, захватом газа из окружающей среды при кристаллизации сварочной ванны. Для уменьшения пористости необходимы тщательная подготовка поверхности основного и присадочного металлов под сварку (очистка от ржавчины, масла, влаги, прокалка и т.д.), надежная защита зоны сварки от воздуха, введение в сварочную ванну элементовраскислителей (из основного металла, сварочной проволоки, покрытия, флюса), стабильное соблюдение режимов сварки.

                               Контрольные вопросы.

1. Что понимают под термином «металлургические процессы при сварке»?

2. Какие особенности протекания металлургические процессов при сварке можно отметить?

 3. Какие физико-химические процессы наблюдаются при сварке и их реакции?

4. В чем заключаются процессы окисления и раскисления при сварке?

 Их влияние на свойства металла швов.

5. Назовите особенности кристаллизации металла сварочной ванны.

6. Какие неблагоприятные последствия окисления металла при сварке?

7. Назовите основные раскислители, применяемые в сварочных ваннах.

 8. Почему могут образовываться трещины и поры в металле шва?

 9. В чем вред примесей серы и фосфора при сварке сталей?