Метод Жданівського металургійного інституту (ЖМІ). 2 страница

Додатково по п. 9 дивись [14].

10 Здатність металів до зварювання

10.1 Поняття про здатність металів до зварювання

Процес зварювання — це комплекс технологічних і фізико–хімічних процесів які протікають одночасно і забезпечують утворення зварного з’єднання заданих властивостей.

До таких процесів відносять:

— температурна дія на зону зварювання;

— розплавлення металу;

— металургійні процеси;

— дифузія;

— кристалізація;

— релаксація напруг;

— та інші.

Під здатністю металів до зварювання розуміють здатність конкретних матеріалів, що зварюються, при заданій технології зварювання, забезпечити весь комплекс фізико–хімічних процесів, що відповідають за утворення якісного зварного з’єднання.

Розрізняють фізичну та технологічну здатність металів до зварювання.

Під фізичною здатністю металів до зварювання розуміють здібність матеріалів, що зварюються, забезпечити протікання в повному обсязі фізико–хімічних процесів, що відповідають за утворення монолітного з’єднання.

Для отримання якісного зварного з’єднання не достатньо виконання умови фізичної здатності металів до зварювання, необхідно виконання і умови технологічної здатності металів до зварювання.

Під технологічною здатністю металів до зварювання розуміють відношення матеріалів, що зварюються, до способу зварювання, режиму, а у загальному випадку до технології зварювання.

У загальному випадку розрізняють наступні види здатності металів до зварювання:

— добра здатність металів до зварювання, якщо забезпечується зварне з’єднання з заданими властивостями при умові рівноміцності зварного шва та основного металу без додаткових технологічних засобів (підігрів, відпал, тощо);

— задовільна здатність металів до зварювання, коли умова рівноміцності забезпечується, але за допомогою додаткових засобів;

— погана здатність металів до зварювання, при якій утворення зварного з’єднання можливо за допомогою додаткових засобів, але міцність зварного шва буде нижче міцності основного металу;

— нездатність матеріалів утворити зварне з’єднання.

10.2 Оцінка технологічної здатності металів до

зварювання

При оцінці технологічної здатності металів до зварювання розглядаються наступні фактори:

— властивості зварювальних матеріалів та матеріалів, що зварюються;

— форма, розміри та призначення конструкції, що зварюється;

— розташування та умови роботи зварних швів;

— технологія зварювання.

Технологічна здатність металів до зварювання оцінюється по ряду факторів. Найбільш часто, в залежності від впливу того чи іншого фактору, які розглядаються по відношенню до технологічної здатності металів до зварювання, вибирають такі випробування:

— оцінка металу шва до стійкості проти виникнення гарячих тріщин;

— оцінка біляшовної зони до стійкості утворенню холодних тріщин;

— оцінка металу шва та біляшовної зони у сукупності з основним металом проти переходу у крихкий стан;

— перевірка службових характеристик зварного шва.

10.3 Вибір способу зварювання в залежності від

технологічної здатності до зварювання

При виборі способу зварювання необхідно враховувати:

— технологічні вимоги до зварювальних матеріалів та властивості матеріалів, що зварюються;

— товщину матеріалів, що зварюються;

— габарити та форму конструкцій, що зварюються;

— економічну ефективність.

Властивості матеріалів.Розглянемо декілька прикладів. При зварюванні хімічно-активних, тугоплавких матеріалів для зменшення поглинання газів зварним швом рекомендується проводити процес зварювання в вакуумі (дифузійне зварювання у вакуумі, електронно-променеве зварювання і т.п.).

При зварюванні хромонікелевих сталей рекомендується використовувати концентровані джерела нагріву, що забезпечують мінімальне знаходження металу шва та біляшовної зони в області температури де утворюються гарячі тріщини. Рекомендують використовувати ручне дугове зварювання, дугове зварювання під флюсом та у середовищі захисних газів, але не рекомендують використовувати газове зварювання, яке характеризується широкою зоною термічного впливу і тривалим перебуванням метала в області небезпечних температур.

При зварюванні титану, останній при температурах вище 400 °С активно поглинає із навколишнього середовища кисень та азот. Відбувається азотування та окиснення, різко знижується якість зварного шва. Рекомендують зварювання титану проводити у середовищі інертних газів, або використовувати дугове зварювання під шаром безкісневого флюсу (СаСl, NaCl, NaF).

Габарити та форма конструкцій, що зварюються. При зварюванні тонколистових конструкцій рекомендується використовувати м’які джерела нагріву, які дають можливість точно дозувати енергію на одиницю площини зварного шва (газове зварювання, точкове контактне зварювання, шовне контактне зварювання, дугове зварювання у середовищі захисних газів).

При зварюванні дуже тонких конструкцій рекомендують використовувати імпульсне електронно-променеве зварювання, ультразвукове зварювання, зварювання розрядом конденсатору, зварювання струмом високої частоти, дифузійне зварювання в вакуумі.

При зварюванні товстолистових конструкцій необхідно використовувати потужні джерела теплоти (автоматичне зварювання під шаром флюсу, а при товщинах більше 40 мм — електрошлакове зварювання).

Для крупногабаритних конструкцій з довжиною зварного шва більше одного метра рекомендують використовувати автоматичні способи зварювання та роликове електроконтактне зварювання. При довжині зварного шва менше одного метра рекомендують використовувати РДЗ, напівавтоматичні дугові способи зварювання, точкове контактне зварювання.

10.4 Принципи вибору зварювальних матеріалів

До зварювальних матеріалів відносяться: електродний дріт, електроди, гази, флюси, припої, тощо.

При виборі зварювальних матеріалів використовують критерії:

1) матеріали, що зварюються, повинні забезпечувати хімічний склад металу шва ідентичний основному металу;

2) забезпечувати мінімальне поглинання металом шва азоту, водню, продуктів реакції окиснення вуглецю, сірки та фосфору (чим більше сірки та фосфору, тим нижча технологічна міцність);

3) забезпечувати отримання заданих експлуатаційних властивостей;

4) забезпечувати отримання спеціальних властивостей шва та конструкції в цілому (стійкість проти спрацювання, корозійна стійкість та інше).

10.5 Принципи вибору раціональних режимів зварювання

Режими зварювання — це комплекс основних характеристик процесу зварювання, які забезпечують отримання зварного шва заданої якості, форми та розмірів.

Приклади режимів:

1. Ручне дугове зварювання — величини струму та напруги зварювання, рід струму, полярність, діаметр та кут нахилу електроду, тощо.

2. Напівавтоматичне дугове зварювання — величини зварювального струму та напруги, полярність, швидкість подачі дроту та газу, діаметр електродного дроту, тощо.

3. Автоматичне дугове зварювання — величина зварювального струму та напруги, рід струму, полярність, швидкість подачі дроту, газу та переміщення зварювальної головки, діаметр електродного дроту, тощо.

4. Електрошлакове зварювання — величина зварювального струму та напруги на шлаковій ванні, її глибина, швидкість переміщення шлакової ванни, кількість та діаметр дроту (електрошлакове зварювання дротом), а в загальному випадку розміри електродного матеріалу, тощо.

5. Дифузійне зварювання в вакуумі — швидкість нагрівання та охолодження виробу, величина вакууму, температура зварювання, величина питомого зусилля стиску, тривалість витримки при температурі зварювання, кінцева температура охолодження в вакуумній камері.

Принципи вибору раціональних режимів зварювання:

1. Ці режими повинні забезпечувати термічний цикл, при якому у зварному шві та біляшовній зоні будуть відсутні холодні та гарячі тріщини.

2. Одержання зварного шва заданої форми та розмірів. Для характеристики форми та розмірів зварювальної ванни та зварного шва вводять ряд параметрів.

, (10.1)

де — коефіцієнт форми зварювальної ванни.

, (10.2)

де — коефіцієнт форми проплавлення.

h — глибина проплавлення;

, (10.3)

де — коефіцієнт форми валика.

, (10.4)

де — коефіцієнт повноти валика;

Fн — площина поперечного перерізу металу, що наплавили.

При < 7 у зоні зварного шва виникає концентрація напруг.

10.6 Особливості здатності металів та сплавів до

зварювання

10.6.1 Особливості здатності до зварювання кольорових

металів

Кольорові метали поділяються на:

1. Легкі метали — алюміній, магній та їх сплави, які мають задовільну здатність до зварювання, а також берилій — який має погану

здатність до зварювання.

2. Тяжкі метали — мідь, нікель, благородні метали, які мають задовільну здатність до зварювання, а також цинк та свинець — погана здатність до зварювання.

3. Хімічно активні метали та метали з високою температурою
плавлення — титан, цирконій, гафній, ванадій, тантал, ніобій, які мають задовільну здатність до зварювання, а також вольфрам, молібден, хром — матеріали, які мають погану здатність до зварювання, у зв’язку з їх низькою пластичністю і великою схильністю до переходу в крихкий стан.

10.6.2 Особливості здатності до зварювання конструкційних

вуглецевих сталей

По вмісту вуглецю конструкційні вуглецеві сталі поділяються:

1) низьковуглецеві — вміст вуглецю від 0,1 до 0,25 %;

2) середньовуглецеві — вміст вуглецю від 0,26 до 0,45 %;

3) високовуглецеві — вміст вуглецю від 0,46 до 0,7 %.

Сталі, що відносяться до першої групи мають добру здатність до зварювання. Рівноміцність основного металу та металу шва забезпечується відносно легко, однак внаслідок вигорання вуглецю, його концентрація у металі шва може виявитися нижче, а ніж в основному металі. Це буде причиною зниження міцності зварного шва. Тому рекомендується використовувати дріт з підвищеним вмістом кремнію, марганцю та прискорене охолодження.

У сталей другої групи у зв’язку з підвищеним вмістом вуглецю здатність до зварювання нижча, ніж у сталей першої групи. У цих сталей підвищена небезпечність виникнення гарячих та холодних тріщин. Тому рекомендується перед зварюванням робити підігрів, або використовувати повільне охолодження та після зварювання робити термообробку. Ці сталі мають задовільну здатність до зварювання.

Для сталей третьої групи рекомендується те, що й для сталей другої групи, але негативний вплив вуглецю на технологічну міцність більш сильний. Ці сталі мають погану здатність до зварювання.

10.6.3 Особливості здатності до зварювання легованих

сталей

По кількості легуючих елементів сталі поділяються на три групи:

1) низьколеговані (вміст кожного легуючого елемента не більше
2 %, а їх сума не більше 5 %);

2) середньолеговані (вміст кожного легуючого елемента не більше
5 %, а їх сума не більше 10 %);

3) високолеговані (вміст кожного легуючого елемента не менше
5 %, а їх сума не менше 10 %);

Низьколеговані низьковуглецеві сталі. Здатність до зварювання аналогічна здатності до зварювання низьковуглецевих конструкційних сталей, однак вони більше схильні до росту зерен, чутливі до швидкостей охолодження, як слідство більша імовірність виникнення тріщин.

Низьколеговані високоміцні сталі. Це термічно зміцненні сталі. Чим більше легуючих елементів у сталі, тим більша імовірність виникнення гарячих та холодних тріщин і тим нижча технологічна міцність. Вміст легуючих елементів веде до підвищення стійкості аустеніту, а це означає, що при великих швидкостях охолодження імовірно виникнення мартенситної структури, а в наслідок цього тріщин.

Низьколеговані жароміцні сталі. Мають підвищену міцність в області високих температур та стійкість до статичних навантажень. Рекомендується одержувати зварний шов по хімічному складу аналогічний основному металу, у протилежному випадку в області високих температур активно будуть розвиватися процеси дифузії, матеріал зони шва буде мати схильність до загартування та виникнення крихких структур. Здатність металів до зварювання цих сталей задовільна. Рекомендується перед зварюванням проводити підігрів, а також після зварювання проводити термообробку (відпуск та нормалізацію).

Низьколеговані середньовуглецеві сталі. Широко використовуються у машинобудуванні. У зв’язку з підвищеним вмістом вуглецю для зварювання використовуються в термообробленому вигляді. Здатність цих сталей до зварювання гірша, ніж тих, що розглянуті вище.

Середньолеговані сталі. Здатність до зварювання гірша, ніж у всіх вище перерахованих, тому, що виявляється більша схильність до утворення холодних тріщин у зв’язку з підвищеним вмістом вуглецю, водню, легуючих елементів. Також виявляється схильність до утворення гарячих тріщин в металі, у зв’язку з підвищеним вмістом вуглецю, сірки, легуючих елементів. В загальному випадку важко забезпечити рівноміцність основного металу та металу шва. Їх можна віднести до матеріалів, що мають погану здатність до зварювання.

Високолеговані сталі. У зв’язку з тим, що для цих сталей характерна низька теплопровідність, великий омічний опір, схильність до ливарної усадки, велике значення ТКЛР, тому при зварюванні має місце велика імовірність утворення крихких структур, пор, тріщин. Ці сталі відносяться до матеріалів, що мають погану здатність до зварювання.

Додатково по п. 10 дивись [1, 5, 11].

11 Кристалізація металу шва та технологічна міцність

11.1 Загальні положення теорії кристалізації

Перехід металу з рідкого стану в твердий має назву первинної кристалізації, а структура, яка утворюється, має назву первинної структури. Сучасна теорія кристалізації базується на зародковому механізмі кристалізації.

Відомо, що з двох фаз має розвиток та, у якій вільна енергія менша.

, (11.1)

де F — вільна енергія;

T — абсолютна температура;

S — ентропія (функція стану системи, яка характеризує напрямок

теплообміну).

Зміна вільної енергії рідкої та кристалічної фаз наведена на

рисунку 11.1.

Розвиток процесів у напрямку переходу рідкої фази в тверду можливо лише при Fкр < Fр. При невеликому переохолодженні DТ у металі утворюються центри кристалізації, від яких росте кристал. Кристалізація характеризується двома процесами:

1. Утворенням центрів кристалізації (характеризується кількістю

центрів кристалізації за одиницю часу в одиниці об’єму).

2. Лінійною швидкістю росту кристалів (рисунок 11.2).

При невеликому переохолодженні швидкість лінійного росту кристалів опереджає виникнення центрів кристалізації (ростуть великі кристали). При великому переохолодженні утворення центрів кристалізації випереджає лінійний ріст кристалів. Чим більше величина переохолодження, тим більше центрів кристалізації та більша лінійна швидкість росту кристалу (невелике зерно). Для отримання дрібнозернистої структури необхідно збільшити кількість центрів кристалізації. Це робиться шляхом введення в зварювальну ванну модифікаторів. В загальному випадку кристали ростуть у напрямку, перпендикулярному поверхні тепловідводу.

11.2 Особливості плавлення та кристалізації металу шва

Зварювальну ванну поділяють на дві зони:

1) передню (А, рисунок 11.3);

2) хвостову (Б, рисунок 11.3).

У передній зоні відбувається плавлення металу. Температура в цій зоні значно вища, ніж в хвостовій зоні, тому реакції між шлаковою, газовою та металевою фазами протікають в основному у цій зоні, яка має назву реакційної зони. У хвостовій зоні відбувається кристалізація металу шва та його формування.

Рідкий метал у першій та другій зонах знаходиться на різних рівнях, що пояснюється видуванням рідкого металу тиском електричної дуги в хвостову частину. Однаковість рівнів може забезпечуватись за рахунок однаковості тиску дуги та гідростатичного тиску рідкого металу та шлаку.

Форма та об’єм зварювальної ванни залежать від:

1) природи джерела живлення;

2) теплофізичних властивостей матеріалу, що зварюється;

3) режиму зварювання.

В загальному випадку розрізняють три види структури металу після кристалізації:

1. Гранулярну (рисунок 11.4, а);

2. Стовпчасту (рисунок 11.4, б);

3. Дендритну (рисунок 11.4, в).

Гранулярна структура має місце при повільному охолодженні та рівномірному розподілі по об’єму центрів кристалізації. Стовпчаста структура має місце при формуванні металу шва. Дендритна структура має місце при кристалізації злитку.

Кристалізація металу шва відрізняється від кристалізації злитку, тому що:

1. Зварювальна ванна знаходиться під одночасною дією джерела теплоти та охолоджуючої дії основного металу.

2. Об’єм зварювальної ванни по відношенню до холодного основного металу значно менший, швидкість охолодження зварювальної ванни більша.

3. Температура основного металу, контактуючого з ванною у різних зонах, не однакова.

4. Швидкість кристалізації металу зварювальної ванни визначається швидкістю пересування зварювальної головки, тобто швидкістю зварювання.

Процес росту стовпчастих кристалів у металі шва має ряд особливостей. Поверхня основного металу, що контактує з рідким металом зварювальної ванни геометрично неоднорідна. На першому етапі кристалізації кристали, що утворюються, ростуть перпендикулярно поверхні на локальних ділянках. Далі ростуть лише ті кристали, які зорієнтовані перпендикулярно до загальної поверхні тепловідводу.

Розрізняють три види стовпчастої структури металу шва.

На рисунку 11.6 показаний лускатий вид шва, що утворюється при дуговому зварюванні. Утворення такого шва можна уявити як послідовне надходження хвиль рідкого металу з хвостової частини та його послідуючої кристалізації.

Тривалість перебування металу в рідкому стані визначається

, (11.2)

де L — довжина зварювальної ванни;

Vзв — швидкість зварювання.

При підвищенні зварювального струму до 400 А ширина та висота зварного шва змінюється незначно, глибина зварного шва збільшується. При підвищенні струму більше, ніж 400 А збільшується як висота, так і глибина зварного шва (збільшення глибини випереджає збільшення висоти шва). При підвищеному струмі можливе виникнення таких дефектів: пропал, перепал металу, підріз.

При підвищенні електричної напруги відбувається зменшення глибини (веде до непровару кореня шва), збільшення ширини шва. Величина посилення шва змінюється незначно.

При підвищенні швидкості зварювання величина посилення та глибина зварного шва змінюються незначно, зменшується його ширина. При великих швидкостях зварювання може утворитися підріз.

Дефекти форми і розмірів швів -неповномірність, нерівномірність і несиметричність швів, підріз, наплив, пропал (наскрізне проплавлення). Неповномірність шва (рис. 11.7, поз. 2) виникає при недостатній швидкості подачі електродного дроту для даної швидкості зварювання. Нерівномірність шва - по довжині шва його ширина b, посилення шва с та глибина проплавлення h(рис. 10.2) не постійні по розміру внаслідок коливань режиму зварювання. Несиметричність швів - несиметричне розташування перетини шва відносно його вісі (рис 11.7, поз. 9).

Підріз (рис. 11.7, поз. 10) - виїмка в основному металі, яка виплавляється у процесі зварювання уздовж краю шва. Наплив (рис. 11.5, поз. 11) - зайво наплавлений метал біля кромок, який наплив в процесі зварювання на основний метал. Пропал (рис. 11.7, поз. 3) - наскрізне проплавлення металу, що зварюється.

До дефектів, що порушують суцільність зварних з'єднань відносять (рис. 11.5): непровари (поз. 6) - несплавлення крайок; пропал; тріщини (поз. 5); газові (поз. 1) і шлакові вмикання (поз. 4).

11.3 Структура металу шва та біляшовної зони

Будова зони термічного впливу (ЗТВ) показана на рисунку 11.8.

Ділянка 1 – 6 має назву зони термічного впливу. Це небезпечна зона зварного з’єднання, тому що у багатьох випадках механічні характеристики в ній нижче, ніж у зварному шві. Ділянка 1 – 2 має назву ділянки неповного розплавлення основного металу.

Ділянка 2 – 3 — ділянка перегріву, характеризується збільшеним (по відношенню до основного металу) розміром зерна. Це найбільш небезпечна ділянка ЗТВ. Ділянка 3 – 4 має назву ділянки нормалізації або ділянки мілкого зерна (ділянка покращення), тому що механічні характеристики на ній можуть бути вище, ніж у основному металі. Ділянка
4 – 5 — ділянка неповної перекристалізації, на якій утворюється нерівноважна структура з деформованих зерен. Ділянка
5 – 6 — ділянка рекристалізації. Ділянка 6 - 7 — ділянка синьоламкості (температура менше 500 °С), де відбувається пониження пластичності металу.

11.4 Вторинна кристалізація

Це зміна кристалічної структури металу, що знаходиться у твердому стані. До вторинної кристалізації здатні метали, у яких проходять полиморфні перетворення (для сталі при охолодженні перетворюється у ).

11.5 Хімічна неоднорідність металу

Існують два види кристалізації:

1) рівноважна;

2) нерівноважна.

Рівноважна кристалізація виникає коли вільна енергія старої фази дорівнює вільній енергії нової фази. Відомо, що будь-який процес самовільно може йти в тому випадку, якщо вільна енергія старої фази більша ніж вільна енергії нової фази. У дійсності, цей процес починається при температурах нижче рівноважної і відбувається у деякому інтервалі температур, що веде до нерівномірного розподілення хімічних елементів по об’єму металу. На практиці має місце нерівноважна кристалізація.

Нерівномірне розподілення хімічних елементів по об’єму металу має назву ліквації. До неї більш схильні сплави. Це пояснюється тим, що сплави кристалізуються у відносно великому інтервалі температур, а так як температури на початку та кінці кристалізації різні, то має місце неоднакове розподілення елементів по об’єму. Чим ширше цей інтервал, тим більша ліквація. Найбільш схильні до ліквації такі елементи: O2, S, P, C. Розрізняють зональну ліквацію (це ліквація по всьому об’єму або окремим його ділянкам), та дендритну (ліквація у межах зерна або просторі між зернами).

11.6 Ліквація металу шва

Хімічна неоднорідність металу шва може бути двох видів:

1. Макроскопічна — нерівномірне розподілення хімічних елементів по довжині зварного шва або на окремих його ділянках. Пояснюється коливаннями хімічного складу основного та зварювальних матеріалів, нестабільністю режимів зварювання.

2. Мікроскопічна — нерівномірне розподілення легуючих елементів та домішок у межах зерна (нерівномірне розподілення C, P, S, O2). Зміна у розподілі вуглецю може протікати у таких напрямках:

— вирівнювання початкового складу;

— виникнення легованих карбідів у зоні найбільшої концентрації вуглецю;

— посилення нерівномірності розподілення вуглецю у наслідку реактивної дифузії.

Чим вища концентрація вуглецю, тим вища нерівномірність розподілення S, P. Чим менше зерно, тим менша ліквація. Для зменшення розміру зерна (зменшення ліквації), а також запобігання стовпчастої структури використовують наступні засоби:

— підвищують швидкість охолодження;

— у зварювальну ванну вводять поверхнево-активні та тугоплавкі елементи, які є додатковими центрами кристалізації;

— збудження механічних та ультразвукових коливань у зварювальній ванні;

— утворення високотемпературних та надлишкових фаз типу твердих розчинів та евтектик.

11.7 Фізична неоднорідність металу шва

11.7.1 Види дефектів атомної гратки

Існують наступні види дефектів атомної гратки:

— точкові (вакансії, атоми впровадження, виникають при кристалізації металу шва та пластичній деформації);

— лінійні (лінійні дислокації);

— об’ємні (гвинтові дислокації, які можуть виникати в процесі кристалізації та неоднорідного зсуву);

— поверхневі (межі зерен, блоків, фаз та вільних поверхонь).

Найбільше на міцність зварного шва впливають дислокації та поверхневі дефекти.

Відрізняють чотири причини формування дефектів на міжфазній поверхні у напрямку твердої фази:

1. Розвиток термомеханічних напруг та деформацій на міжфазній поверхні.

2. Накопичення вакансій нижче фронту кристалізації та переродження їх у дислокації.

3. Накопичення домішок розчинених у кристалі.

4. Генерування дислокацій у результаті дії джерела Франко–Ріда.

У місцях утворення дислокацій відбувається викривлення кристалічної гратки, що приводить до утворення напруг. Максимальна величина їх у центрі дислокації. Дислокації, що утворюються, взаємодіють між собою (притягаються або відштовхуються). Так дислокації одного знаку відштовхуються, а різних — притягаються, та анігілюють. Дислокації притягають сторонні атоми, утворюючи біля себе атмосферу їх атомів.

11.7.2 Фізична неоднорідність литого металу

Для будови литого металу характерна блочно–мозаїчна структура. Окремі дислокації взаємодіють між собою, об’єднуються у лінійні ряди, утворюючи просторову сітку.

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 567 8 9 Следующая ⇒