Металлургические процессы при сварке
Ïðîäîëæàÿ ñåðèþ ÊÀ×ÅÑÒÂÅÍÍÛÕ ðåôåðàòîâ ïðåäëàãàþ Âàøåìó âíèìàíèþ äîêëàä "Ìåòàëëóðãè÷åñêèå ïðîöåññû ïðè ñâàðêå" . Îñîáåííî èíòåðåñåí ýòîò äîêëàä áóäåò ñòóäåíòàì , îáó÷àþùèìñÿ ïî ñïåöèàëüíîñòè 120500 . Äîêëàä îöåíåí íà "5" ïðåçèäåíòîì Âñåðîññèéñêîãî ñâàðî÷íîãî îáùåñòâà , ä.ò.í. , àêàä. Ñòåêëîâûì Î. È. . Ðåêîìåíäóþ ! Âñåõ áëàã ! Wolt shelchkov@usa.net
ВВЕДЕНИЕ .
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 (нагрев до сварки и в процессе её ) . Меняя скорость охлаждения , можно получить желаемую твёрдость в зоне термического влияния .
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 .
Горячие трещины .
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 ) FeS с температурой плавления 1189 С и NiS с температурой плавления 810 С . В пиковый момент развития сварочных напряжений по этим жидким прослойкам происходит сдвиг металла , перерастающего в хрупкие трещины .
Вторая причина образования горячих трещин - высокотемпературные деформации . Они развиваются вследствие затруднённой усадки металла шва , формоизменения свариваемых заготовок , а так же при релаксации сварочных напряжений в неравновесных условиях сварки и при послесварочной термообработке , структурной и механической концентрации деформации.
Холодные трещины .
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 .
Водород легко перемещается в незакалённых структурах . В мартенсите диффузионная способность водорода снижается : он скапливается в микропустотах мартенсита , переходит в молекулярную форму и постепенно развивает высокое давление , способствующее образованию холодных трещин . кроме того , водород , адсорбированный на поверхности металла и в микропустотах , вызывает охрупчивание металла .
Углеродистые стали : сварка и сопутствующие ей процессы .
Сплавы Fe и С , где процентное содержание углерода не превышает 2,14 % , называют углеродистыми сталями . Углерод оказывает сильное влияние на свойства сталей . Наличие других элементов обусловлено :
Технологическими особенностями производства - Mn , Si - для устранения вредных включений закиси железа , FeO и FeS .
Вокруг оторочки сернистого железа , начиная с 985 С , происходит оплавление , что ведёт к снижению технологической прочности сварного шва . Температура плавления MnS составляет 1620 С , кроме того , он пластичен .
Невозможностью полного удаления из металла ( S, P, N , H )
Случайными причинами ( Cr , Ni , Cu и другие редкоземельные металлы )
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 2 % легирующих элементов каждого в отдельности и до 5 % суммарно ( Mn , Si , Cr , Ni ). Содержание углерода , как и у углеродистых сталей не превышает 0,22 % . Содержание S и P в низколегированных сталях такое же , как в качественных сталях.
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 . Протяжённость разупрочненного участка увеличивается про больших значениях погонной энергии сварки .
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 .
Специфика свариваемости сталей типа 15Х5М .
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 350-400 С . Для полного устранения твёрдых прослоек необходимо применение дополнительных мер . Небольшая скорость распада хромистого аустенита , вызывающая склонность к закалке на воздухе , и фазовые превращения мартенситного характера снижают стойкость сталей к образованию трещине при сварке .Применение закаливающих на воздухе сталей для изготовления сварного оборудования приводит к образованию в сварных соединениях механической неоднородности .
Механическая неоднородность , заключающаяся в различии свойств характерных зон сварного соединения , является следствием , с одной стороны , неоднородности термодеформационных полей при сварке структурно - неравновесных сталей , с другой - применения технологии сварки с отличающимися по свойствам сварочными материалами из-за необходимости обеспечения технологической прочности .
В настоящее время применяется два вида сварки :
Сварка однородными перлитными электродами , близкими по составу к основному металлу .При этом металл шва и зона термического влияния приобретают закалённую структуру и образуется широкая твёрдая прослойка .
Сварка с применением аустенитных электродов . Поскольку аустенитные материалы не склонны к закалке , твёрдые прослойки образуются только в зоне термического влияния .
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 C/c способствует переохлаждению аустенита до температуры начала мартенситного превращения ( 420 С ) и полному его бездиффузионному превращению . Изменения в структуре , обусловленные увеличением скорости охлаждения , сказываются и на механических свойствах сварных соединений . С возрастанием доли мартенсита наблюдается снижение ударной вязкости .
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(^2) . Последующий отпуск при 650-700 С приводит к распаду структуры закалки , выделению карбидов , в результате чего тетрагональность мартенсита уменьшается . После отпуска ударная вязкость возрастает до 1МДж/м^2 . С учётом такой возможности восстановления ударной вязкости большинство марок хромистых сталей имеет повышенное содержание углерода для предотвращения образования значительного количества феррита в структуре . Таким образом удаётся предотвратить охрупчивание стали . Однако при этом наблюдается ухудшение свариваемости вследствие склонности сварных соединений к холодным трещинам из-за высокой хрупкости околошовного металла со структурой пластинчатого мартенсита .
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 .хром определяет коррозионную стойкость стали . В обеднённых хромом межкристаллитных участках развивается коррозия , которая называется межкристаллитной .
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 . Степень разбавления зависит от доли участия каждого из составляющих разнородное сварное соединение .
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 ;
Этот процесс идёт за счёт кислорода , накопленного в сталях во время их выплавки , но может возникать за счёт примеси к Ar марок В и Г , за счёт влажности газа и содержащегося в нём кислорода .
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 Al(2)O(3) с температурой плавления около 2300 С . Оксиды алюминия способствуют образованию пор в металле шва и снижают стабильность горения дугового разряда при сварке вольфрамовым электродом на переменном токе .
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) . Основные дефекты при сварке алюминиевых и магниевых сплавов - пористость и наличие оксидных включений в металле шва , так как оксиды Al(2)O(3) и MgO обладают большей плотностью , чем жидкий металл и не растворяются в нём .
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.
А. В. Бакиев “Технология аппаратостроения” , Уфа 1995 год .
“Сварка в машиностроении” т. 1 под редакцией Н. А. Ольшанского .
“ Теория сварочных процессов” под редакцией В. В. Фролова .