Будова зварного шва
Зварювання металів плавленням є складнішим металургійним процесом порівняно з металургійним процесом, що відбувається при отриманні металевих виливків.
Характерними особливостями зварювання сталей є такі:
1. Висока температура нагрівання металу. При дуговому зварюванні температура зварювальної ванни досягає
2500 0 С, замість 1700 0 С у печі;
2. Малий обсяг розплавленого металу у зварювальній ванні. При ручному дуговому зварюванні він рідко досягає 2 см 3 .
3. Короткочасність процесу. Час від початку розплавлення до застигання зварювальної ванни становить кілька секунд ( ).
Висока температура в зоні дуги призводить до швидкого плавлення електродного матеріалу, флюсу та основного металу. Молекули азоту, кисню, водню частково розпадаються на атоми і активно взаємодіють із розплавленим металом, у результаті властивості шва знижуються. Висока температура призводить також до вигоряння, випаровування та розбризкування металу та інших речовин.
Малий обсяг розплавленого металу у зварювальній ванні та відносно холодний основний метал викликають інтенсивне відведення тепла, внаслідок чого хімічні реакції між розплавленим металом та шлаком повністю завершуються, не створюється рівновага.
Швидке затвердіння та кристалізація металу шва відбиваються на структурі та механічних властивостях шва.
Розглянемо структуру зварного шва маловуглецевої сталі після кристалізації (рис. 5.6).
Мал. 5.7. Схема будови шва.
А – зона наплавленого металу, Б – зона сплавлення,
У – зона термічного впливу, Г – зона основного металу.
Структура зварного шва складається із чотирьох зон (рис. 5.7):
Зона наплавленого металу (зона А)являє собою перемішаний в рідкому стані з основним металом матеріал електрода або дроту присадки. Співвідношення між основним та електродним металом у шві залежить від швидкості плавлення електрода, глибини ванни, обсягу наплавленого металу та ряду інших факторів.
Зона сплавлення (зона Б) – це шар основного металу товщиною 0,1-0,4 мм, з частково оплавленими зернами. Перегрів металу в цій зоні призводить до утворення голчастої структури, що відрізняється крихкістю і зниженою міцністю і значно впливає на властивості з'єднання в цілому.
Зона термічного впливу (зона В) складається з чотирьох ділянок, що відрізняються структурою:
1 - Ділянка перегріву - область основного металу, нагрітого до 1100-1450 0 С і має крупнозернисту структуру. Перегрів знижує механічні властивості металу (пластичність та в'язкість). Руйнування зварювального з'єднання зазвичай відбувається по цій ділянці, ширина якої досягає 3-4 мм.
2 – Ділянка нормалізації – область основного металу нагрітого до 900-1000 0 С. Завдяки дрібнозернистій структурі механічні властивості металу на цій ділянці вищі порівняно з основним металом. Ширина ділянки складає 1-4 мм.
3- Ділянка неповної перекристалізації - область основного металу, нагрітого до 725-900 0 С., складається з дрібних і великих зерен. Нерівномірна будова призводить до зниження механічних властивостей.
4- Ділянка рекристалізації - область основного металу нагрітого до 450-725 0 С. При цих температурах відбувається відновлення форми зерен, деформованих в результаті попереднього механічного впливу. Ширина зони складає 5-7 мм.
Величина зони термічного впливу залежить від способу і технології зварювання і властивостей металу, що зварюється, так, приручного дугового зварювання від 2 до 10 мм, при газовому 20-25 мм.
Зона основного металу (зона Г) умовно починається від кордону з температурою 450 0 С. Структура при температурах нижче 450 0 С не відрізняється від структури основного металу, проте сталь, нагріта до Т = 200-400 0 С, має гірші механічні властивості, що пояснюється випаданням на межі зерен оксидів і нітридів, що послаблюють зв'язок між зернами. Це явище, що викликає зниження пластичності та ударної в'язкості при одночасному підвищенні міцності металу, називається синяломкістю.
Місця руйнування зварних з'єднань.
Міцність металу шва, зони термічного впливу та основного металу різні. Тому зварне з'єднання слід розглядати як неоднорідне тіло.
Руйнування можуть відбуватися за всіма трьома зонами залежно від того, яка зона має меншу міцність.
В даний час рівноміцність зварних з'єднань та основного металу забезпечується електродами з якісними покриттями та іншими зварювальними матеріалами.
Міцність зварних з'єднань залежить від міцності металу шва, ширини перегрітого металу в зоні термічної ділянки, спільної ширини металу шва та ширини перегрітого металу, характеру застосування зовнішнього навантаження, температури експлуатації виробу та інших факторів.
Зварювання плавленням
При зварюванні плавленням проводиться розплавлення кромок заготовок, що зварюються, і присадочного матеріалу для заповнення зазору між ними. Рухливість атомів матеріалу в рідкому стані призводить до поєднання частин деталей в результаті утворення загальної зварювальної ванни. В результаті кристалізації металу зварювальної ванни спільно з оплавленими кромками виробу та виникнення зварного шва утворюється міцне з'єднання беззастосування тиску.