| |||||
МЕНЮ
| Металлургические процессы при сваркеМеталлургические процессы при сваркеВВЕДЕНИЕ . Сварочная металлургия отличается от других металлургических процессов высокими температурами термического цикла и малым временем существования сварочной ванны в жидком состоянии , т. е. в состоянии , доступном для металлургической обработки металла сварного шва . Кроме того ,специфичны процессы кристаллизации сварочной ванны , начинающиеся от границы сплавления , и образования изменённого по своим свойствам металла зоны термического влияния. В своей работе я отразил сущность лишь основных и наиболее общих процессов, происходящих в металле при сварке , хотя постарался изложить их как можно подробней и интересней . ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ СВАРКИ . Сварка сопровождается комплексом одновременно протекающих процессов , основными из которых являются : тепловое воздействие на металл в зоне термического влияния , термодеформационные плавления , металлургической обработки и кристаллизации металла в объёме сварочной ванны в зоне сплавления . Физическая свариваемость характеризует принципиальную возможность получения монолитных сварных соединений и главным образом относится к разнородным металлам . В процессе сварки имеет место непрерывное охлаждение . Характер структурных превращений при этом отличается от случая распада аустенита при изотермической выдержке . При непрерывном охлаждении значение инкубационного периода в 1.5 раза больше , чем при изотермическом . С увеличением скорости охлаждения получаемая структура в зоне изотермического влияния измельчается , твёрдость её повышается . Если скорость охлаждения превышает критическую скорость , образование структур закалки неизбежно . Закалённые структуры в аппаратостроении являются крайне нежелательными : отличаются высокой твёрдостью , хрупкостью , плохо обрабатываются , склонны к образованию трещин . Если скорость охлаждения ниже критической скорости , образование закалочных структур исключается . В зоне термического влияния наиболее желательными являются пластичные , хорошо обрабатываемые структуры типа перлита или сорбита . Поэтому получение качественных соединений непременно связано с достижением желаемых структур в основном регулированием скорости охлаждения . Подогрев способствует перлитному превращению и является
действенным средством исключения закалочных структур . Поэтому он служит
в качестве предварительной термической обработки сварных соединений В некоторых случаях появляется необходимость увеличения скорости охлаждения . Путём ускоренного охлаждения удаётся измельчить зерно , повысить прочностные свойства и ударную вязкость в зоне термического влияния . С этой целью находит применение метод сопутствующего охлаждения . Сварное соединение в процессе сварки с обратной стороны дуги охлаждается водой или воздушной смесью , что способствует получению крутой ветви скорости охлаждения. Технологическая прочность сварного шва . Термин “Технологическая прочность” применяется для характеристики прочности конструкции в процессе её изготовления . В сварных конструкциях технологическая прочность лимитируется в основном прочностью сварных швов . Это один из важных показателей свариваемости стали . Технологическая прочность оценивается образованием горячих и
холодных трещин . Это хрупкие межкристаллические разрушения металла шва и зоны термического влияния . Возникают в твёрдо-жидком состоянии на завершающей стадии первичной кристаллизации , а так же в твёрдом состоянии при высоких температурах на этапе преимущественного развития межзернистой деформации . Наличие температурно- временного интервала хрупкости является
первой причиной образования горячих трещин . Температурно- временной
интервал обуславливается образованием жидких и полужидких прослоек ,
нарушающих металлическую сплошность сварного шва . Эти прослойки
образуются при наличии легкоплавких , сернистых соединений (сульфидов ) Вторая причина образования горячих трещин - высокотемпературные
деформации . Они развиваются вследствие затруднённой усадки металла шва Холодными считают такие трещины , которые образуются в процессе охлаждения после сварки при температуре 150 С или в течении нескольких последующих суток . Имеют блестящий кристаллический излом без следов высокотемпературного окисления . Основные факторы , обуславливающие появление холодных трещин
следующие:
а) Образование структур закалки ( мартенсита и бейнита ) приводит к
появлению дополнительных напряжений , обусловленных объёмным эффектом .
б) Воздействие сварочных растягивающих напряжений .
в) Концентрация диффузионного водорода . Углеродистые стали : сварка и сопутствующие ей процессы . Сплавы Fe и С , где процентное содержание углерода не превышает Углеродистые стали составляют основную массу сплава Fe-C , до 95 % аппаратуры и оборудования изготавливают из этих сталей . В отечественной промышленности наиболее широко применяют стали с содержанием углерода до 0,22 % , редко от 0,22 до 0,3 % . Структурно -фазовые превращения углеродистых сталей определяются диаграммой состояния Fe-C . В нормализованном состоянии имеют феррито- перлитную структуру . С точки зрения кинетики распада аустенита , у углеродистых сталей происходит превращение аустенита в перлит ( второе основное превращение). В зависимости от температуры охлаждения , степени переохлаждения , скорости охлаждения феррито- цементитной смеси получается различной степени дисперсионный перлит , сорбит , бейнит , троостит . Низколегированные стали повышенной прочности. К низколегированным относят стали , содержащие в своём составе до При сварке , кинетика распада аустенита такая же , как и углеродистых сталей . При охлаждении на воздухе получается феррито- перлитная структура . Поэтому низколегированные стали повышенной прочности относят к хорошо свариваемым сталям . Однако легирующие элементы существенно снижают критическую скорость охлаждения . При содержании в верхнем пределе и высоких скоростях охлаждения возможно подавление перлитного превращения и появления промежуточных и закалочных структур . При уменьшении погонной энергии сварки и увеличении интенсивности охлаждения в металле шва и зоне термического влияния возрастает вероятность распада аустенита с образованием закалочных структур . При этом будет увеличиваться вероятность образования холодных трещин и склонность к хрупкому разрушению . При повышенных погонных энергиях наблюдается рост зерна аустенита и образуется грубозернистая феррито- перлитная структура видманштетового типа с пониженной ударной вязкостью . Выбор тепловых режимов в основном преследует цель недопущения холодных трещин . Одним из самых технологичных средств , снижающих вероятность появления трещин , является подогрев . Температура подогрева определяется в зависимости от эквивалента углерода и толщины свариваемого проката . Необходимая температура подогрева возрастает с увеличением легированности стали и толщины свариваемого проката . Низколегированные стали жаропрочные перлитные . Хромомолибденовые стали 12МХ , 12ХМ , 15ХМ предназначены для работы в диапазоне температур -40... +560 С . В основном используются при температурах +475...+560 С . Их применение обусловлено низкой стоимостью и достаточно высокой технологичностью при изготовлении сварных конструкций и производстве отливок , поковок . На участках , нагретых выше точки Ас(3) , возможно образование
мартенсита и троостита . Реакция стали на термический цикл сварки
характеризуется разупрочнением в зоне термического влияния в интервале
температуры Ас(3) - Т (0), который объясняется процессами отпуска . Мягкая разупрочненная прослойка может явиться причиной локальных разрушений сварных соединений в процессе эксплуатации , особенно при изгибающих нагрузках . Устранение разупрочнения осуществляется последующей термической обработкой с фазовой перекристаллизацией в печах ( объёмная термическая обработка ) . Образование обезуглероженной ( ферритной ) прослойки - это специфический показатель свариваемости , присущий этим сталям . В процессе последующей эксплуатации при температурах 450-600 С , происходит миграция углерода из металла шва в основной металл , или наоборот , когда имеет место различие в их легировании карбидообразующими элементами . Стали системы Fe-C-Cr ( хромистые стали ) . Хром - основной легирующий элемент . Он придаёт сталям ценные
свойства : жаропрочность , жаростойкость ( окалиностойкость ,
коррозионную стойкость ) .Чем больше содержание хрома , тем более
высокой коррозионной стойкостью обладает сталь . Такое влияние хрома
объясняется его способностью к самопассивированию даже в естественных
условиях и образованию плотных газонепроницаемых оксидных плёнок при
высоких температурах . Склонность к закалке осложняет технологический процесс выполнения
сварочных работ . В зоне термического влияния образуются твёрдые
прослойки , которые не устраняются даже при сварке с подогревом до 350- Механическая неоднородность , заключающаяся в различии свойств
характерных зон сварного соединения , является следствием , с одной
стороны , неоднородности термодеформационных полей при сварке структурно В настоящее время применяется два вида сварки : Хромистые мартенситно- ферритные стали . У стали марки 08Х13 с содержанием углерода 0,08 % ,
термокинетическая диаграмма распада аустенита имеет две области
превышения : в интервале 600-930 С, соответствующем образованию феррито-
карбидной структуры , и 120-420 С - мартенситной . Количество
превращённого аустенита в каждом из указанных температурных интервалов
зависит , главным образом , от скорости охлаждения . Например , при
охлаждении со средней скоростью 0,025 С/с превращение аустенита
происходит преимущественно в верхней области с образованием феррита и
карбидов . Лишь 10 % аустенита в этом случае превращается в мартенсит в
процессе охлаждения от 420 С . Повышение скорости охлаждения стали до 10 Увеличение содержания углерода приводит к сдвигу в область более низких температур границы превращения мартенсита . У сталей с содержанием углерода 0,1- 0,25 % в результате этого полное мартенситное превращение имеет место после охлаждения со скоростью ~1С/c . С точки зрения свариваемости , мартенситно- ферритные стали
являются “неудобными” в связи с высокой склонностью к подкалке в сварных
соединениях этих сталей . Подкалка приводит к образованию холодных
трещин . Склонность к образованию трещин при сварке зависит от характера
распада аустенита в процессе охлаждения . В случае формирования
мартенситной структуры ударная вязкость сварных соединений 13 %-ных
хромистых сталей снижается до 0,05-0,1 МДж/м(^() . Последующий отпуск
при 650-700 С приводит к распаду структуры закалки , выделению карбидов Аустенитные коррозионностойкие стали . Аустенитные стали содержат в своём составе Cr , Ni , C . По реакции на термический цикл хромоникелевые стали относят к хорошо свариваемым . При охлаждении они претерпевают однофазную аустенитную кристаллизацию неперлитного распада , тем более мартенситного превращения при этом не происходит . Характерным показателем свариваемости хромоникелевых сталей является межкристаллитная коррозия (МКК) . МКК развивается в зоне термического влияния , нагретой до температур 500-800 С ( критический интервал температур ) . При пребывании металла в опасном (критическом) интервале
температур по границам зерен аустенита выпадают карбиды хрома Cr(4)C ,
что приводит к обеднению приграничных участков зерен аустенита хромом Межкристаллитная коррозия имеет опасные последствия - может вызвать хрупкие разрушения конструкций в процессе эксплуатации . Чтобы добиться стойкости стали против межкристаллитной коррозии , нужно исключить или ослабить эффект выпадения карбидов . т. е. стабилизировать свойства стали . Аустенитно- ферритные нержавеющие стали. Аустенитно- ферритные стали относятся к группе хорошо свариваемых сталей . Они стойки к образованию горячих трещин против межкристаллитной коррозии . Специфичным моментом свариваемости является их повышенная склонность к росту зерна . Наряду с ростом ферритных зерен возрастает общее количество феррита . Последующим быстрым охлаждением фиксируется образовавшаяся структура . Размеры зерна и количество феррита , а также ширина зоны перегрева зависят от погонной энергии сварки , соотношения структурных составляющих в исходном состоянии и чувствительности стали к перегреву .Соотношение количества структурных составляющих ( гамма - и альфа- фаз ) в исходном состоянии в значительной степени зависит от содержания а стали Ti . Количество титана в стали также определяет устойчивость аустенитной фазы против гамма- альфа превращения при сварочном нагреве . Чем выше содержание Ti , тем чувствительней сталь к перегреву . Вследствие роста зерна и уменьшения количества аустенита наблюдается снижение ударной вязкости металла околошовной зоны и угла загиба сварных соединений аустенитно- ферритных сталей . Менее чувствительными к сварочному нагреву являются стали , не содержащие титан , - это стали 03Х23Н6 и 03Х22Н6М2 . Особенности сварки аппаратуры из разнородных сталей Специфическими показателями свариваемости разнородных сталей являются процессы диффузии и разбавления . Наибольшую опасность представляет диффузия С в сторону высоколегированной стали , где большая концентрация Cr или других карбидообразующих элементов . Разбавление происходит при перемешивании свариваемых сталей и присадочного материала в объёме сварочной ванны . Сталь более легированная разбавляется сталью менее легированной . Общие сведения о металлургических процессах при сварке в инертных газах . Сварку сталей осуществляют обычно под флюсом , в среде оксида углерода (IV) , но бывают случаи , когда целесообразно применять аргонно- дуговую сварку ,- например для упрочнения средне и высоколегированных сталей . Низкоуглеродистые низколегированные стали , особенно кипящие , склонны к пористости вследствие окисления углерода : Fe(3)C + FeO = 4Fe + CO ; Для подавления этой реакции в сварочной ванне нужно иметь достаточное раскислителей ( Si , Mn , Ti ) , т. е. использовать сварочные проволоки Св08ГС или Св08Г2С . Можно снизить пористость путём добавки к аргону до 50 % кислорода . который , вызывая интенсивное кипение сварочной ванны , способствует удалению газов до начала кристаллизации . Добавка кислорода к аргону снижает также критическое значение сварочного тока , при котором осуществляется переход от крупнокапельного переноса металла в дуге к струйному , что повышает качество сварки . Среднелегированные углеродистые стали обычно содержат в своём составе достаточное количество активных легирующих компонентов для подавления пористости , вызываемой окислением углерода . Это обеспечивает плотную структуру шва , а шва состав металла шва соответствует основному металлу , если электродные проволоки имеют так же близкий состав . Аустенитные коррозионностойкие и жаропрочные стали (12Х18Н10Т и др.) хорошо свариваются в среде аргона как плавящимся , так и неплавящимся электродом . При сварке этих сталей обычно не требуется каких-либо дополнительных мероприятий , но аустенитно- мартенситные стали очень чувствительны к влиянию водорода , который их сильно охрупчивает и даёт замедленное разрушение в виде холодных трещин . Сварка алюминия и его сплавов . Сварка алюминия и его сплавов затруднена наличием оксидных плёнок Оксид алюминия (III) может гидратироваться , и при попадании в сварочную ванну , он будет обогащать её водородом , что приведёт к пористости в сварном соединении , поэтому перед сваркой кромки изделия травят в щелочных растворах , механически зачищают металл и обезжиривают его поверхность . Электродная проволока так же подвергается травлению и механической зачистке . Для снижения пористости рекомендуется дополнительная сушка аргона . Добавление к аргону хлора . фтора или летучих фторидов снижает пористость , но повышает токсичность процесса . Сварка магниевых сплавов . Сварка магниевых сплавов ( МА2, МА8 , МА2-1 ) в основном похожа на
сварку алюминиевых сплавов , но оксид магния (II) , составляющий
основную часть поверхностного слоя , менее прочно связан с металлом и не
обладает такими защитными свойствами , как оксид алюминия (III) . Сварка титана и его сплавов . При сварке титана и его сплавов ( ВТ1 , ВТ5 , ОТ4 ) возникает сложность с исключительной химической активностью титана . Титан реагирует с кислородом , азотом , углеродом , водородом , и наличие этих соединений приводит к резкой потере пластичности металла сварного соединения . Особенно титан чувствителен к водороду , с которым он образует гидриды , разлагающиеся при высокой температуре , а при кристаллизации образуются игольчатые кристаллы , которые нарушают связь между металлическими зёрнами титана ( замедленное разрушение ) . Сварка меди и её сплавов . При сварке меди и её сплавов получение качественного шва - без пор , с требуемыми физическими свойствами - весьма затруднительно . Это связано с наличием в исходном металле закиси меди и высокой склонности меди к поглощению водорода . Возможна сварка меди и её сплавов в защитных газах - аргоне и гелии , а так же в азоте , который по отношению к этому металлу является инертным газом . Сварку ведут неплавящимся электродом на постоянном токе прямой полярности с подачей присадочной проволоки . СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ В РАБОТЕ ЛИТЕРАТУРЫ. 1. А. В. Бакиев “Технология аппаратостроения” , Уфа 1995 год . |
ИНТЕРЕСНОЕ | |||
|