8.3. Взаимосвязь диаграммы Fе- с с тепловыми процессами при сварке

Энергия теплового источника (электрической дуги, пламени сгорания газов, тепла расплавленного металла и др.) при сварке материалов расходуется на нагрев металла детали, на расплавление электрода или сварочной проволоки, на плавление флюса или обмазки электрода. Распределение температуры в свариваемом металле зависит от многих факторов. Это, в первую очередь, мощность дуги, свойства материала, размеры детали, скорость перемещения электрода.

П ри сварке металлов имеет место отрицательное воздействие на наплавленный металл и металл детали двух групп факторов: воздуха и высоких температур. Проблема воздуха успешно решается при сварке, а отрицательное воздействие высоких температур неизбежно и вред от этого можно только уменьшить, используя ряд технологических приемов.

Рис. 8.6. Зоны сварного шва

Знание закономерностей распространения тепла позволяет установить:

— размеры зоны термического влияния (рис. 8.6);

— глубину проплавления основного материала;

— скорости охлаждения наплавленного материала и, как результат этого, динамики скоростей нагрева и охлаждения, возможные фазовые изменения вследствие закалки (отпуска) на отдельных участках сварного соединения.

При неподвижном источнике тепла изотермы (кривые линии, соединяющие точки одинаковых температур) будут иметь вид окружностей, а при подвижном источнике — вид овальных кривых, сгущающихся впереди движущегося источника (рис. 8.7). Изотерма 1600 С соответствует температуре плавления низкоуглеродистых сталей, она как раз и определяет размеры сварочной ванны. Можно построить изотермы фазовых превращений, которые покажут свойства материала на конкретных участках детали после сварки.

Н

Рис. 8.7. Линии изотерм при сварке

агрев металла при сварке является местным, с резким перепадом температур: в зоне непосредственного дугового разряда металл доводится до температуры кипения, далее температура снижается и на некотором расстоянии от шва становится равной температуре окружающей среды. Естественно, что в различных температурных условиях металл имеет различные структурные особенности. Полоса металла, в которой под воздействием нагрева в процессе сварки происходят какие-либо структурно-фазные изменения, получила название зоны термического влияния.

При механических испытаниях сварных соединений разрушение бездефектного сварного шва происходит, как правило, по участку неполной перекристаллизации, поскольку понижение механических свойств литой структуры компенсируется за счет валика наплавленного металла.

При наличии дефектов шва разрушение происходит либо по участку сплавления, либо по газовым и шлаковым включениям.

Схема распределения твердости различных зон сварного шва показана на рис. 8.8. Характер изменения твердости в зоне наплавленного металла зависит от химического состава основного и электродного металла, режимов сварки и последующей термической обработки. Твердость стали в зоне термического влияния обычно больше твердости наплавленного металла. В случае сварки термически упроченной стали при нарушении режимов сварки происходит разупрочнение, твердость в зоне термического влияния становится ниже, чем в зоне основного металла.

Сопоставление свойств исходного (перед сваркой) состояния металла деталей со свойствами металла в зоне сварного шва показывает, что результирующая кривая прочности сварного соединения может иметь один провал (литая структура) и один пик (участок нормализации или закалки), если исходное состояние отожженное, или два провала (участка литой структуры и неполной перекристаллизации), если исходное состояние закаленное.

Рис. 8.8. Распределение твердости металла по зонам сварного шва (1 — нагартованная или термически упрочненная сталь; 2 — горячекатанная сталь; 3 — зона наплавленного металла; 4 — зона термического влияния; 5 — зона основного металла)

Порядок выполнения раздела 8.3:

1. Проводится сварка деталей или берутся ранее сваренные детали.

2. Через 2 мм от центра сварного шва перпендикулярно в обе стороны проводится разметка и определяется твердость прибором Роквелла или динамическим твердомером ЭЛИТ - 2Д.

3. Строится зависимость изменения твердости по зонам сварного шва и проводится ее анализ.