ТЕРМИЧЕСКИЙ ЦИКЛ ПРИ СВАРКЕ И ЕГО ВЛИЯНИЕ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ.

Термический цикл сварки – нагрев-охлаждение – определяется способом и режимами проведения процесса. Местный нагрев и охлаждение металла при этом определяет те изменения, которые происходят в структуре и механических свойствах полученного сварного соединения. Участки сварного соединения вблизи непосредственного действия неподвижного или подвижного сварочного источника тепла нагреваются до наиболее высоких температур. При различных способах сварки плавлением металл в шве доводится до расплавленного состояния, а затем, охлаждаясь, - кристаллизуется. Расположенные рядом участки основного металла нагреваются при сварке до более низких температур, причем по мере удаления от места действия источника тепла или линии его перемещения максимальные температуры нагрева Т_мах снижаются. При значительных размерах свариваемого изделия на некотором расстоянии от сварного шва никакого нагрева металла не происходит; температура в процессе сварки не изменяется.

После достижения в любом участке основного металла максимальной температуры следует охлаждение, определяемое главным образом отводом тепла в более холодные участки металла. Как правило, это охлаждение осуществляется с достаточно большой скоростью, хотя и меньшей, чем скорости нагрева, но именно она приводит к изменениям в структуре и свойствах сварного соединения по сравнению со структурой и свойствами исходного металла. В совокупности эти участки основного металла, в которых произошли структурные изменения в результате термического цикла сварки, называются зоной термического влияния. Таким образом, после завершения процесса сварки каждый объем металла изделия, подвергшегося термическому циклу, претерпевает характерные изменения в структуре и механических свойствах (твердости в частности). Они определяются изменением температуры во времени и связанные с ней скоростями нагрева (W_Н) и охлаждения (W_О), приводящие к этим изменениям. Общий характер изменения структуры и твердости под действием термического цикла сварки приведен на рис.1. На нем схематично показано распределение твердости по зоне термического влияния. Ширина ее различных участков определяется способом и режимами сварки, которые для сравнения приведены в таблице 1.

Рисунок 1 - Структура и твердость сварных сое-динений низкоуглеро-дистой стали: справа от оси – горячекатаной; слева – холоднокатаной

Таблица 1 - Ширина участков зоны термического влияния при сварке низкоуглеродистой стали

Как следует из рисунка 1, в зоне термического влияния можно выделить шесть основных участков. Металл, лежащей на линии перемещения сварочного источника тепла (участок 1), максимально нагревался выше температуры ликвидус (Т_л) и при сварке полностью расплавлялся.

Металл на участке 2 нагревался до максимальной температуры ниже Т_л, но выше температуры солидус Т_с. Следовательно, при сварке на этом участке металл частично переходил в расплавленное состояние, сохраняясь частично и в твердом состоянии.

Металл на участках 3-5 максимально нагревался ниже Т_с, но выше критической температуры T_KP. Он в течение всего термического цикла сварки оставался в твердом состоянии. В процессе охлаждения в них могут происходить структурные изменения, связанные с аллотропными изменениями кристаллической решетки железа из ГЦК в ОЦК. При этом металл участка 3 нагревался до значительно более высоких температур, чем участки 4 и 5, которые расположены на большем расстоянии от оси сварного шва.

Изменения в структуре металла участка 6, который нагревался ниже критической температуры, определяется влиянием на нее температуры высокого отпуска.

Возможны и другие варианты рассмотренной схемы. Например, некоторые металлы или сплавы могут иметь не две, а одну критическую температуру, а некоторые - вообще не имеют критических температур, т.е. не имеют полиморфных превращений, как при нагреве, так и при охлаждении.

Образование в участках 1-5 закалочных структур, таких как мартенсит, обладающих высокой твердостью и низкой пластичностью в сочетании с растягивающими остаточными сварочными напряжениями, является одной из причин возникновения и развития холодных трещин в сварных соединениях.