Сварочное производство
Сварка— высокопроизводительный и универсальный технологический процесс получения неразъёмного соединения посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их местном или общем нагреве, или пластическом деформировании, или совместном действии того и другого. Сварка широко применяется во всех отраслях техники для соединения металлов, их сплавов или термопластов как самостоятельный процесс при изготовлении сложных конструкций, так и в комплексных технологиях в сочетании с другими видами обработки материалов (литьем, давлением, резанием).
Для производства сварки используются различные источники энергии: электрическая дуга, газовое пламя, лазерное излучение, электронный луч, трение, ультразвук. Развитие технологий позволяет в настоящее время осуществлять сварку не только на промышленных предприятиях, но и в полевых условиях, под водой и даже в космосе. Производство сварочных работ сопряжено с опасностью возгораний, поражений электрическим током, отравлений вредными газами, облучением ультрафиолетовыми лучами и поражением глаз.
Наибольшее распространение получили два вида сварки: давлением и плавлением.
При сварке давлением заготовки соединяются в процессе совместной пластической деформации. В процессе деформации микронеровности поверхностей заготовок выравниваются, разрушаются и удаляются оксидные пленки, обеспечивая в условиях действия межатомных сил плотный взаимный контакт заготовок. Для снижения сопротивления деформации зону сварки обычно нагревают. При сварке плавлением расплавляют кромки заготовок, в результате образуется общая сварочная ванна расплавленного металла, в процессе застывания которой кристаллизуется металл сварного шва.
Процесс кристаллизации сварного шва отличается от кристаллизации слитков чрезвычайно резкими градиентами температуры и очень высокой скоростью охлаждения.
Начинается кристаллизация металла сварочной ванны на поверхности частично оплавленных зерен основного металла заготовок, располагаемых в граничной зоне расплавления. Сварной шов формируется постепенно по мере перемещения сварочной ванны вместе с источником тепла вдоль кромок заготовок. В передней части сварочной ванны металлы оплавляются, а за ней кристаллизуются в процессе охлаждения сварного шва. Сечение сварного соединения получается неоднородным по размеру, форме и химическому составу зерен.
При изучении микроструктуры сварного соединения выявляются три зоны: основного металла, термического влияния и наплавленного металла сварного шва. В верхней части шва формируются более крупные кристаллы ветвистой формы (дендритное строение), а в нижней части − белее мелкие кристаллы удлиненной формы (транскристаллитное строение).
В зоне термического влияния (ЗТВ) тоже можно выделить 6 участков:
· 1−2 − участок неполного расплавления металла является переходным от наплавленного металла сварного шва к основному металлу, Металл здесь испытывал нагрев до температуры, выше солидуса основного металла и находился в твердожидком состоянии. В этой области происходит сплавление зерен шва и основного металла, поэтому свойства сварного соединения в целом в наибольшей степени формируются здесь;
· 2−3 − участок перегрева, в котором металл нагревался до 1500ºС. После затвердевания металл этого участка имеет пониженную пластичность вследствие крупнозернистого строения. Для сталей с содержанием углерода 0,4% и более в этой зоне возможно образование закалочных структур;
· 3−4 − участок нормализации. Металл этого участка испытал относительно недолгий нагрев от 930 до 1100ºС и после охлаждения имеет мелкозернистую структуру с высокими механическими свойствами;
· 4−5 − участок частичной аустенитизации. После охлаждения структура здесь состоит из крупных зерен феррита, окруженных мелкими зернами феррита и перлита;
· 5−6 − участок рекристаллизации может наблюдаться после сварки заготовок, прошедших предварительную пластическую деформацию (поковки, прокат). Для металла на этом участке характерно восстановление формы и размеров деформированных зерен;
· к границе 6 примыкает зона синеломкости, металл здесь в процессе ведения сварки нагревается до 200...400°С, что соответствует синим цветам побежалости и характеризуется снижением пластичности металла.
При высоких (2000...6000°С) температурах в зоне сварки металл сварочной ванны может окисляться свободным кислородом газовой атмосферы и кислородом, связанным в оксиды, образуя растворимые в жидком металле. В результате при охлаждении в металле шва образуются включения, ухудшающие его качество.
Причинами образования газовых пор в сварном шве может быть:
· высокое содержание в жидком металле водорода и азота, которые при кристаллизации интенсивно выделяются из расплава вследствие скачкообразного падения их растворимости;
· интенсивное окисление углерода (образование газа СО2) вследствие низкого содержания кремния и марганца в металле сварочной ванны.
В сталях, легированных хромом, молибденом, титаном, азот образует нитриды типа MeN, которые увеличивают прочность сварного шва, но снижают его пластичность.
Сера в сплавах на основе железа даже в небольших количествах образует низкоплавкую (940 °С) сульфидную эвтектику FeS —Fe по границам зерен, является причиной горячих трещин в процессе сварки, а также образования трещин при термообработке и в период эксплуатации данного изделия при высоких температурах (красноломкость).
Фосфор содержится в металле шва в виде фосфидов железа FeP и FeP2, которые уменьшают ударную вязкость стали, т.е. способствуют появлению холодных трещин. Для уменьшения вредного влияния фосфора в сварочную ванну вводят элементы (кальций или марганец), образующие с фосфором нерастворимые в железе соединения, с тем, чтобы они перешли в шлак, который затем удаляется.
Свариваемость металлов и сплавов.
Под свариваемостью подразумевают способность металлов и сплавов образовывать при установленной технологии сварки надежное в эксплуатации сварное соединение.
Механические свойства многих сплавов (как черных, так и цветных) в зоне сварного шва ухудшаются; образуются сварочные дефекты-трещины, закалочные структуры, пористость и др., следовательно, эти сплавы обладают пониженной свариваемостью.
Различают физическую и технологическую свариваемость.
Физическая свариваемость определяется физико-химическими свойствами соединяемых металлов. Для сварных соединений заготовок из одинакового металла проблем с физической свариваемостью не бывает. Разнородные металлы не всегда обладают физической свариваемостью.
При сварке разнородных металлов и сплавов возможны три варианта структуры сварного шва:
· соединяемые материалы образуют непрерывные твердые растворы (Fe−Ni, Fe−Cr, Ni−Zn и др.). При этом протекает совместная кристаллизация, обеспечивающая межатомные связи не только внутри кристалла, но и по границам зерен, состав, структура и свойства при переходе от сварного соединения к основному металлу меняются постепенно − физическая свариваемость хорошая;
· соединяемые материалы или их составляющие имеют ограниченную взаимную растворимость (Fe−Cu, Сu−Zn и др.). В этом случае в зоне сварки возможно образование интерметаллидных фаз, и качество сварного соединения может ухудшиться вследствие плохих механических свойств интерметаллидов (высокая хрупкость, низкая прочность и т.д.) или слабых связей между кристаллитами разных фаз;
· соединяемые материалы практически не растворяются один в другом (Fe−Pb, Fe−Mg и др.). При этом монолитность сварного соединения может устанавливаться только за счет сил связи по границам кристаллитов разных фаз − физическая свариваемость плохая.
Технологическая свариваемость — это поведение свариваемых материалов в условиях конкретной технологии сварки.
Основным признаком, характеризующим свариваемость сталей, является их склонность к образованию горячих и холодных трещин. Горячие трещины могут появиться под действием высоких растягивающих напряжений в процессе кристаллизации материала шва, когда металл находится твердожидком состоянии, и поэтому имеет малые пластичность и прочность. Образование горячих трещин наиболее вероятно вдоль оси сварного шва, в зоне стыка столбчатых кристаллов. Склонны к горячим трещинам сплавы с широким интервалом кристаллизации и с повышенным содержанием вредных примесей. Холодные трещины могут возникать в ЗТВ или в зоне шва после завершения кристаллизации. При наличии в сплаве фосфора образование холодных трещин возможно в период от 2 до 7 сут после сварки. Появление холодных трещин характерно для углеродистых и легированных сталей в случае появления при сварке закалочных структур, при усиленном росте зерен и при повышенном насыщении металла газами. Склонность стали к образованию холодных трещин оценивают по эквиваленту углерода:
.
Сталь с Сэкв> 0,4 %, следует считается склонной к образованию холодных трещин.
Стали по свариваемости разделяют на четыре группы: хорошо, удовлетворительно, ограниченно и плохо свариваемые.
Углерод при содержании в стали до 0,25 % не ухудшает свариваемости, а при более высоком его содержании свариваемость резко ухудшается, так как в ЗТВ образуются закалочные структуры, приводящие к трещинам. Применение средне- и высокоуглеродистых присадочных материалов приводит к пористости шва.
Легирующие элементы по-разному влияют на свариваемость стали.
Не ухудшают свариваемость:
Кремний при содержании в стали 0,02...0,3%, марганец при содержании до 1,8%; никель.
При увеличении в стали содержания кремния до 0,8... 1,5% условия сварки ухудшаются из-за высокой жидкотекучести кремнистой стали и образования тугоплавких оксидов кремния.
Ухудшают свариваемость:
· Марганец в количествах свыше 1,8, ванадий, вольфрам способствуют появлению закалочных структур, что может вызвать образование холодных трещин.
· Марганецв количествах свыше 11%, ванадий, вольфрам, молибден активно окисляются и выгорают.
· Хром при сварке образует карбиды, которые ухудшают коррозионную стойкость стали, резко повышают твердость в ЗТВ, интенсифицируют образование тугоплавких оксидов, затрудняющих процесс сварки.
· Молибден измельчает зерно, способствует образованию трещин в зоне ЗТВ.
· Титан и ниобий способствуют образованию горячих трещин.
Сварочные напряжения.
Неравномерность нагрева, характерная для сварных изделий, и металлургические процессы, протекающие в сварном шве, по совокупности действия приводят к появлению внутренних сварочных напряжений в сварном шве и к деформациям в сварных изделиях в целом.
Наблюдаемые внешние деформации заготовок после сварки не совпадают с внутренними упругопластическими деформациями, их действие противоположно, что создает опасность появления трещин. Для предупреждения появления трещин в сварном шве и в ЗТВ необходимо снизить внутренние деформации и напряжения (уменьшить реакцию основного металла на разогретый шов и на ЗТВ). С этой целью стремятся уменьшать геометрическую жесткость свариваемых заготовок, исключают их закрепление при сварке, предварительно подогревают заготовки или после сварки применяют высокий отпуск. Если коробление сварного изделия по техническим условиям недопустимо, то, наоборот, увеличивают геометрическую жесткость свариваемых заготовок посредством использования ребер жесткости, мембран или жесткого крепления заготовок при сварке.