Структура сварных соединений.

 

 

Сварное соединение при сварке плавлением включает в себя сварной шов, образовавшийся в результате кристаллизации сварочной ванны, зону сплавления и зону термического влияния, представляющую часть основного металла, непосредственно примыкающую к сварному шву и подвергающуюся тепловому воздействию при сварке, вызывающему изменение структуры и свойств. Изменение температуры металла во времени называют термическим циклом сварки. Максимальная температура нагрева в разных участках соединения различна.

При сварке низкоуглеродистых сталей в ней отмечают участки неполного расплавления, перегрева, нормализации, неполной перекристаллизации, рекристаллизации и синеломкости.

 

 

I – Полной перекристаллизации. Основной металл нагревается от А_с3 -Т_пл

II –Неполной перекристаллизации. Нагрев А_с1 – А_с3

III – Участок отпуска.

 

I – делится на 2 зоны                    1′  >     1200 °C – зона перегрева

                                                        1′ < 1200 °C – зона перекристаллизации и уменьшенное зерно.

В зоне перегрева металл имеет высокие критические температуры хрупкости.

Участок неполного расплавления примыкает непосредственно к сварному шву и представляет собой узкую область (0,1-0,4мм) основного металла, нагревавшегося до частичного оплавления зёрен. Участок перегрева – область основного металла, нагреваемого до 1100-1450°C, в связи с чем металл имеет крупнозернистую структуру и пониженные механические свойства. Участок нормализации (перекристаллизации), область основного металла, нагреваемого до 900-1100°C. Участок обладает высокими механическими свойствами, так как при охлаждении образуется мелкозернистая структура. Участок неполной перекристаллизации нагревается до 725-900°C, образуя смесь мелких перекристаллизовавшихся зёрен и крупных зёрен, которые не успели перекристаллизоваться. Участок рекристаллизации характеризуется ростом зёрен, огрублению структуры, разупрочнением металла, нагревом до 450-725°C. Участок синеломкости  практически не отличается от основного металла. Понижается пластичность и вязкость металла. Нагрев до температуры 200-450°C.

Неравномерность нагрева различных зон и неоднородность структуры шва и околошовных зон вызывает возникновение внутренних напряжений и как следствие различные деформации и коробление шва. Всё это приводит к ухудшению механических свойств сварных соединений. От внутренных напряжений избавиться невозможно, но различные местные нагревы и механические оправки снижают их влияние.

 

Свариваемость металлов.

 

Свариваемость – способность материалов образовывать неразъёмные сварные соединения. Различают понятия физической и технологической свариваемости. Физическая свариваемость – способность образовывать монолитное неразъёмное соединение с установлением в нём химических связей. Такой способностью обладают практически все металлы и большинство их сочетаний. Способность образовывать соединения с требуемыми свойствами под воздействием конкретных условий сварки и определяет технологическая свариваемость.

Основными показателями свариваемости металлов и их сплавов являются окисляемость металла в условиях сварки, сопротивляемость образованию горячих и холодных трещин, чувствительность металла к тепловому воздействию сварки, к образованию пор, соответствие свойств сварного соединения заданным эксплуатационным требованиям.

Наибольшее влияние на свариваемость сталей оказывает углерод. С увеличением содержания углерода, а также ряда других легирующих элементов свариваемость сталей ухудшается. Для сварных конструкций в основном применяют конструкционные низкоуглеродистые, низколегированные, а также легированные стали.

Главными трудностями при сварке этих сталей являются, склонность к горячим трещинам, чувствительность к закаливаемости и образованию холодных трещин, обеспечение равнопрочности сварных соединений. Чем выше содержание углерода в стали, тем больше опасность трещинообразования, труднее обеспечить равномерность свойств в сварном соединении. Ориентировочным количественным показателем свариваемости стали, известного химического состава, является эквивалентное содержание углерода, определяемое по формуле:

 

 

= , где содержание углерода и легирующих элементов (марганец, кремний, молибден, ванадий, никель, кальций) берётся в процентах. В зависимости от эквивалентного содержания углерода и связанного с этим склонности к закалке и образованию трещин стали по свариваемости делят на четыре группы:

 

1. Хорошо                     С_э≤ 0,25%

2. Удовлетворительно   С_э (0,25-0,35)%

3. Ограниченно             С_э (0,36-0,45)%

4. Плохо свариваемые  С_э > 0,45%

 

 

Эквивалент углерода низкоуглеродистых и низколегированных сталей (), согласно РД 558 – 97, рассчитывается по формуле:

 

        ,

 

не должен превышать 0,46, где , , , , , , , , ,  -содержание (% от массы) в составе металла трубной стали соответственно углерода, марганца, хрома, молибдена, ванадия, титана, ниобия, меди, никеля, бора.

 

По значениям определяют необходимость и температуру предварительного подогрева металла перед сваркой.

 

Значение эквивалента углерода  указывается в технических условиях на поставку труб (максимальные значения), в сертификатах на трубы (физические значения), а также могут быть замаркиркированы непосредственно на трубах.

 

 

	Углеродистые	Конструкционные и легированные
Хорошо	Ст1;Ст2;Ст3;Ст4;сталь10;20;12кп;16кп;;20кп	15Г;20Г;15ХМ;10ХСНД;15ХГСНД;
Удовлетворительно	Ст5;сталь30;35	12ХН2;14Х2МР;20ХН;20ХГСА;25ХГСА;30ХМ
Ограниченно	Ст6;сталь40;45;50	35Г;45Г;45Х;30ХГСА;30ХГСМ
Плохая	Сталь65;70;80;У7;У8;У9;У10	50Г;8Х3;45ХН3МФА;8Х3;5ХНТ

 

 

Алюминий – Ю; Азот – А; Бор – Р; Ванадий – Ф; Вольфрам – В; Кремний – С; Хром – Х; Кобальт – К; Марганец – Г; Медь – Д; Молибден – М; Никель – Н; Ниобий – Б; Титан – Т; Цирконий – Ц.

Другими характеристиками механических свойств стали являются относительное удлинение и ударная вязкость. Относительное удлинение – это отношение временного сопротивления разрыву(σ_вр) стали к пределу текучести(σ_т). Если:

 

σ_т/σ_вр < 0,75% - углеродистые стали;

σ_т/σ_вр 0,8% - низколегированные нормализованные стали;

σ_т/σ_вр 0,85% - дисперсионно твёрдые, нормализованные термически упрочнённые;

σ_т/σ_вр 0,9% - стали контролируемой прокатки.