Термические процессы сварки

Все зоны сварочного шва подвергаются термическому воздействию с определенными циклами по времени. Каждый участок сварочного шва вначале нагревается до определенной температуры, а затем охлаждается. Температурные изменения металла во время сварки называют ее термическим циклом, графическая зависимость которого отражена на рисунке. Как видно из графика, температура металла меняется в зависимости от зон сварного соединения и снижается по мере удаления от центра шва. На ширину зоны влияния накладывают отпечаток несколько факторов. В первую очередь, это толщина свариваемого металла, вид термического воздействия и его режимов. При дуговой сварке ширина этой зоны обычно находится в пределах 5—6 мм, а при газовой сварке может достигать 25 мм.

В зависимости от степени нагрева металла меняется и его структурное строение. Вначале в нагретом металле происходит растворение некоторых соединений, изменяющих структуру металла. Примером такого растворения может служить соединение металла с углеродом. По мере повышения температуры происходит переход низкотемпературной фазы металла в высокотемпературную (полиморфное превращение). На участках, где температура превышает точку плавления, происходит переход металла из твердой фазы в жидкую.

По мере снижения температуры, когда дуга смещается вдоль шва или гаснет, структурные изменения проходят в обратном порядке. Вначале проходит процесс кристаллизации, то есть переход жидкой фазы металла в твердую, а затем — полиморфные превращения. По мере остывания происходит выпадание из металла некоторых его фаз, например, карбидов, интерметаллидов и т.д. Температура нагрева металла меняется не только во времени, но и по мере удаления от центра шва. Поэтому структура кристаллической решетки имеет различное строение по ширине сварочного соединения.

Так, в области, где металл нагревается до температуры, превышающей точку плавления (зона плавления 1), в результате последующего процесса кристаллизации образуется сварочный шов. В этой области основной материал приобретает грубую столбчатую структуру, снижающую механическую прочность и пластичность металла.

В зоне 2, где температура ниже, проходит граница между жидкой и твердой фазой металла. На этом участке происходит частичное оплавление и рост зерен металла, накопление примесей, что приводит к снижению прочности шва. Эта зона считается самой слабой в сварочном соединении и называется зоной неполного оплавления.

В зоне 3 (зона перегрева) температура основного металла не достигает точки плавления, но все же оказывается достаточной, чтобы вызвать существенные изменения в кристаллической решетке. Основной металл в этой зоне приобретает крупнозернистую структуру, отличающуюся высокой пластичностью и ударной вязкостью. И чем шире зона перегрева, тем ярче проявляются эти свойства.

Нагрев и охлаждение на участке 4 (зона нормализации) основной металл не перегревается, что приводит к образованию мелкозернистой структуры (перекристаллизация без перегрева), обладающей высокими механическими свойствами.

На участке 5 температура основного металла не достигает величины, необходимой для полной нормализации металла (зона неполной перекристаллизации). Поэтому в данной зоне могут чередоваться между собой крупнозернистая и мелкозернистая структуры, что делает этот участок слабее по механическим качествам, чем предыдущая зона.

Изменения, происходящие в результате повышения температуры в зонах 6 и 7, зависят от предварительной обработки металла. Так, если металл перед сваркой испытал холодную деформацию (прокатку, ковку, штамповку и т.д.), то на участке 6 могут возникать процессы рекристаллизации (рост кристаллов), что приводит разупрочнению структуры. На участке 7 могут происходить процессы старения с выпаданием карбидов железа и нитридов. Это приводит к снижению механической прочности металла. Если перед сваркой металл подвергался термической обработке (отжиг), то существенных изменений в этих зонах в процессе сварки не происходит.