Исследование сущности и видов сварки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Сварка - производительный и достаточно универсальный технологический процесс получения неразъемных соединений. Он находит широкое применение во всех отраслях промышленности. Сварка применяется как отдельный процесс при изготовлении сложных пространственных конструкций, так и в сочетании с обработкой металлов давлением, литьем, обработкой металлов резанием.

Сварка - процесс получения неразъемных соединений посредством установления межатомных связей между соединяемыми частями при их нагревании и (или) пластическом деформировании

1. Физические основы процесса сварки металлов. Классификация видов сварки. Виды сварки

Рассмотрим физические основы процесса соединения двух поликристаллических тел из одного материала в единое, монолитное тело.

1.1 Основы процесса соединения двух металлов

Всякое твердое или жидкое тело представляет собой систему атомов, ионов или молекул, связанных между собой внутренними силами притяжения. У кристаллических или поликристаллических тел эти частички расположены в узлах кристаллической решетки. Большинство металлов характеризуется объемно центрированной, гранецентрированной, гексагональной плотноупакованной решетками.

Для соединения двух твердых тел с получением общего монолита необходимо установить между их поверхностными атомами непосредственную связь, т.е. сблизить их на расстояния, сопоставимые с величиной параметра кристаллической решетки. Современные методы механической обработки (финишное полирование) позволяют обеспечить сближение поверхностей на величину 10-5 мм. Но, даже такая обработка не обеспечит получение монолита по нескольким причинам: Расстояние между поверхностями несопоставимо больше величины параметра кристаллической решетки. Из-за наличия на поверхностях загрязнений (окисные и масляные пленки). Из-за наличия энергетического барьера потенциальной энергии системы атомов поверхностных слоев. Для преодоления этого барьера необходимо затратить дополнительную энергию (энергию активации поверхности).

В зону сварки такую энергию можно внести различными способами: в виде теплоты (термическая активация); в виде упруго - пластической деформации (механическая активация); в виде электронного или ионного облучения (радиационная активация).

При сварке, наиболее распространенными способами внесения энергии активации являются нагрев и деформирование, характеризуемые технологическими режимами сварки: температурой нагрева и величиной давления.

Для различных свариваемых материалов взаимосвязь технологических режимов может быть различна. Рассмотрим эту связь для технически чистого железа (без учета загрязнения свариваемых поверхностей). Поле технологических параметров делится на две области: Область сваривания - область, в которой получается качественное сварное соединение, со свойствами сварного шва, близкими к свойствам основного металла заготовок. Область отсутствия сваривания - область, в которой сварное соединение или не получится, или сварной шов будет низкого качества. Область сваривания содержит три температурных участка (I, II, III). На участке I (температурах до Т1 = 850ОС) для получения качественного сварного шва необходимы высокие давления (более 350 МПа). Этот участок называют областью ограниченного сваривания. На участке II получения качественного сварного шва необходимо прикладывать внешнее давление. Причем, чем выше температура, тем меньше необходимое давление. Этот участок называют областью сварки давлением. На участке III для получения качественного сварного шва нет необходимости прикладывать внешнее давление, поскольку металл переходит в расплавленное состояние. Этот участок называют областью сварки плавлением.

Температурные области сварки различных металлов и сплавов отличаются друг от друга. Например: алюминий, свинец и медь при больших пластических деформациях могут свариваться при комнатной температуре. Для сплава «железо - углерод» интервалы температур сварки давлением зависят от содержания в них углерода. По мере увеличения содержания углерода температурный интервал, обеспечивающий хорошее качество сварки давлением уменьшается. Так, сварку чугуна (содержание углерода более 2,14%) можно осуществлять только при наличии жидкой фазы (сварка плавлением или с частичным оплавлением). При сварке разнородных металлов и сплавов возможны три варианта сварного шва. Соединяемые металлы образуют непрерывные твердые растворы (железо - никель, железо - хром, никель - олово). При этом совместная кристаллизация обеспечивает установление межатомных связей как внутри кристалла, так и по границам зерен. Соединяемые металлы или составляющие соединяемых металлов имеют ограниченную растворимость друг в друге (железо - медь, медь - олово). В этом случае возрастает роль связей между отдельными кристаллами (межкристаллитных связей). Соединяемые металлы практически не растворяются друг в друге (железо - свинец, железо - магний). При этом связь может устанавливаться только по границам кристаллов.

Следовательно: сварка - это технологический процесс получения монолитных неразъемных соединений посредством установления внутренних меж частичных (меж атомных, меж ионных, меж молекулярных) связей, при их местном или общем нагреве, или пластическом деформировании, или совместным воздействии этих факторов. Сварные соединения характеризуются структурной непрерывной связью. Сварка может производиться с использованием дополнительного объема металла (применение электрода или присадочной проволоки) или без него.

Обычно к сварочным операциям относят и наплавку, т.е. нанесение посредством сварки плавлением дополнительного слоя расплавленного металла на нагретую или доведенную до состояния плавления поверхность изделия. Целью наплавки является создание на поверхности детали слоя металла с особыми свойствами (износостойкое, антикоррозионное или иное покрытие) или восстановление размеров детали при ее ремонте.

Иногда, как частный случай сварки, рассматривается и пайка. При пайке соединение двух деталей, нагреваемых до температуры ниже температуры их плавления, производится с помощью дополнительного расплавленного слоя (припоя). При этом температура плавления припоя всегда ниже температуры плавления соединяемых металлов. В результате взаимодействия припоя с поверхностными слоями соединяемых металлов может происходить: образование твердых растворов, или химических соединений, или бездиффузионное сцепление (адгезия). В последнем случае пайку можно рассматривать, как частный случай склеивания.

1.2 Классификация видов сварки (по ГОСТ 2601-84)

Классификация видов сварки основана на состоянии металла в сварочной зоне и на виде и способе внесения энергии активации.

В момент сварки металл, в сварочной зоне, может находиться в жидком или твердом состоянии. Для осуществления сварки при твердом состоянии металла, несмотря на размягчение его нагревом, требуется приложение внешнего (осадочного) давления. При жидком состоянии металла можно получить сварное соединение без приложения осадочного давления, только за счет слияния объемов жидкого металла заготовок.

Указанные признаки позволяют разделить все способы сварки на две большие группы: сварка давлением и сварка плавлением.

Сварка плавлением требует высокой температуры нагрева заготовок (до появления жидкого металла в сварочной ванне), следовательно, в зоне сварки протекают металлургические процессы (появление расплава, кристаллизация расплава, окисление металла шва). Поэтому при сварке плавлением возможны металлургические дефекты (внутрикристаллитная и зональная ликвация; холодные и горячие напряжения и трещины; пористость сварного шва и наличие в нем посторонних включений …). Тем не менее, сварка плавлением имеет широкое распространение, так как не требует дорогостоящего оборудования; имеет высокую технологическую гибкость и зачастую может выполняться в полевых условиях.

Сварка давлением выполняется при более низкой температуре нагрева заготовок (снижается вероятность металлургических дефектов); требует меньших энергетических затрат. Однако, сварка давлением требует: применения сложного технологического оборудования, обеспечивающего большие усилия сжатия свариваемых заготовок; предварительной подготовки кромок свариваемых заготовок (наличие чистых поверхностей).

По используемой энергии все способы сварки можно разделить на сварку: механическую; химическую; электрическую; электромеханическую; химико-механическую; аккумулированной энергией. Для получения сварного соединения, механическая сварка требует осуществления пластической деформации кромок свариваемых заготовок. Химическая сварка характеризуется нагревом металла заготовок до появления расплава в зоне сварки посредством превращения химической энергии в теплоту. Электрическая сварка основана на превращении электрической энергии в теплоту. Это превращение может происходить различными способами: выделением тепла при прохождении электрического тока через шлак; использованием электрической дуги; индуцированием тока высокой частоты. Лучевая сварка основана на превращении энергии луча света или электронного луча в теплоту (использование лазерного луча или энергии пучка электронов). Электромеханическая сварка основана на нагреве металла заготовок методом электросопротивления и последующим пластическим деформированием нагретого металла. При химико-механической сварке металл заготовок нагревается путем превращения химической энергии в тепловую с последующим пластическим деформированием металла.

В последующих разделах рассмотрим виды сварки в соответствии с классификацией по виду энергии, применяемой для нагрева металла заготовок.

1.3 Особенности металлургических процессов, протекающих при сварке плавлением

В процессе сварки плавлением, в сварочной ванне, за короткий промежуток времени, происходят сложные процессы взаимодействия различных внешних и внутренних компонентов. Материалы заготовок и дополнительный материал, вносимый в сварочную ванну, состоят из основного металла, легирующих элементов, растворенных газов и посторонних включений. Все эти компоненты взаимодействуют друг с другом, с газами атмосферы, с жидким металлом сварочной ванны, с материалом покрытий и с образующейся шлаковой ванной. В результате химический состав и свойства сварного шва могут значительно отличаться от химического состава и свойств металлических компонентов сварочной зоны.

Кристаллизация металла сварочного шва

Кристаллизация металла сварного шва начинается с частично оплавленных зерен основного металла заготовок, располагаемых на границах зоны расплавления. К решетке этих зерен присоединяются атомы кристаллизующейся фазы. После завершения кристаллизации в зоне расплавления образуются зерна, частично состоящие из металлов заготовок и металла шва, что обеспечивает сварное соединение. При перемещении сварочной ванны вдоль кромок заготовок в передней части сварочной ванны происходит оплавление металлов, а в задней - кристаллизация, что обеспечивает формирование сварного шва.

Кристаллизация сварного шва отличается от кристаллизации слитков высокой концентрацией источника тепла и высокой скоростью охлаждения. Поэтому, шов неоднороден по размеру и химическому составу зерен. В верхней части шва образуются более крупные кристаллы ветвистой формы (дендритное строение). В нижней части - более мелкие кристаллы удлиненной формы (транскристаллитное строение). Шов имеет слоистую структуру. В каждом шве можно выделить три участка. Нижний участок кристаллизуется из тонкой прослойки расплава примыкающей к оплавленным поверхностям. Этот участок обогащен серой, фосфором и углеродом, переместившимися из примыкающих участков металла заготовок. Средний участок кристаллизуется из жидкого металла основного состава. Высокая скорость кристаллизации обеспечивает идентичность состава металла этого участка составу жидкого металла ванны. Верхний участок обеднен серой, фосфором и углеродом.

В сварном соединении можно выделить три зоны с различной микроструктурой: зону основного металла; зону термического влияния и зону наплавленного металла сварного шва. В зоне термического влияния (ЗТВ) можно выделить шесть участков. Участок 1 - неполное расплавление металла. Это переходный участок от наплавленного металла шва к основному металлу. Этот участок нагревается немного выше температуры плавления основного металла находящегося в твердо - жидком состоянии. В области этого участка проходит сплавление зерен шва и основного металла. Поэтому, свойства этого участка определяют свойства сварного шва. Участок 2 - перегрев. В области этого участка металл нагревается до 1500оС. Металл участка имеет крупнозернистое строение с пониженной пластичностью. Для углеродистых сталей возможно появление закалочных структур. Участок 3 - нормализация. Участок относительно недолго нагревается до 930…1100оС. Металл участка имеет мелкозернистую структуру с высокими механическими свойствами. Участок 4 - неполная рекристаллизация. Это участок, в котором крупные зерна феррита окружены мелкими зернами феррита и перлита. Участок 5 - рекристаллизация. Участок часто наблюдается после сварки заготовок прошедших предварительную пластическую деформацию (поковки, прокат). Участок характеризуется восстановлением формы и размеров разрушенных при деформации зерен. Участок 6 - синеломкость. Участок лежит в интервале температур 200…400оС (что соответствует, синим цветам побежалости) и характеризуется снижением пластичности металла.

Диссоциация газов атмосферы и покрытий

При высоких температурах в зоне сварки (от 2000 до 6000оС) молекулы газовой атмосферы переходят в атомарное состояние, одновременно происходит разложение материала покрытий. Атомарный водород, кислород и азот интенсивно растворяются в металле, что ухудшает механические свойства шва (снижается пластичность, повышается хрупкость). Плавиковый шпат и известняк, входящие в состав многих покрытий разлагаются на составляющие с прохождением следующих реакций: CaF2 > Ca + F; CaCO3 > CaO + CO2. Свободный фтор ухудшает условия горения сварочной дуги (при дуговой сварке). Свободный водород связывается в устойчивые, нерастворимые в металле молекулы: CaF2 + H =CaF + HF. Часть серы, растворенной в стали в виде FeS, удаляется в шлак вследствие протекания реакции FeS + CaO = CaS + FeO.

Взаимодействие расплава с атомарными газами

Жидкий металл сварочной ванны может окисляться свободным кислородом газовой атмосферы, кислородом, находящимся на кромках заготовок в виде оксидов (в окалине и в ржавчине), под влиянием химически активных к кислороду окислов кремния SiO2 и марганца MnO, паров воды и углекислого газа. Оксиды Fe3O4 и Fe2O3 при сварочных температурах переходят в закись FeO (Fe3O4 + Fe = 4FeO; Fe2O3 + Fe = 3FeO), растворимую в железе. В результате в шве образуются включения, ухудшающие его качество.

Железо, медь, кобальт, никель поглощают водород в твердом состоянии. При плавлении этих металлов, растворимость водорода увеличивается. Поэтому при кристаллизации сварного шва возможна его пористость. Титан, ванадий, тантал, ниобий, редкоземельные металлы при большой концентрации водорода поглощают его с образованием гидридов, при малых концентрациях - с образованием твердых растворов. Кремний, алюминий, хром, углерод уменьшают растворимость водорода в сталях.

Азот растворяется в железе, молибдене, титане, марганце с образованием нитридов MeN. Нитриды, увеличивая прочность сварного шва, снижают его пластичность.

Влияние серы и фосфора на качество сварки

Взаимодействуя с железом, сера образует сернистые соединения. При кристаллизации сульфид железа FeS образует эвтектику FeS - Fe, имеющую температуру плавления 940оС. Эвтектика располагается между зернами кристаллизующегося железа и вызывает так называемые горячие трещины (красноломкость). Фосфор содержится в металле шва в виде фосфидов железа FeP и FeP2. Фосфиды уменьшают ударную вязкость стали и способствуют появлению так называемых холодных трещин. Для уменьшения вредного влияния фосфора в сварочную ванну вводят элементы (кальций или марганец), способные связать фосфор в нерастворимые железе соединения и удалить их в шлак.

1.4 Механизм образования соединения при сварке давлением

Механизм соединения при сварке давлением состоит из нескольких взаимосвязанных стадий: соприкосновение свариваемых поверхностей; ликвидация поверхностных окисных и адсорбированных пленок; активирование поверхностных слоев (за счет деформировании свариваемых материалов, объемных диффузионных процессов, рекристаллизации); возникновение вначале поверхностных, а затем и объемных металлических связей. Любой металл можно представить, как совокупность положительно заряженных ионов (в идеальном случае расположенных в узлах кристаллической решетки) и свободных электронов, находящихся в постоянном взаимодействии с ионами. Это взаимодействие и определяет целостность металлического тела.

При сближении поверхностей двух металлических тел на расстояния, при которых действуют межатомные силы, возможно возникновение такого взаимодействия между этими поверхностями. Атомы металла одного тела стремятся к соединению с атомами другого тела. Срастаясь, они образуют достаточно большие единые комплексы. При сближении идеально чистых, гладких и параллельных поверхностей теоретически возможно самопроизвольное (без введения дополнительной энергии) возникновение металлических связей. В результате, возможно получение соединения, не уступающего по механическим свойствам основному металлу. Реальные поверхности покрыты пленками окислов, адсорбированных жиров и газов, препятствующих возникновению металлических связей. Любые, даже полированные, поверхности не могут быть выставлены строго параллельно и имеют выступы (высотой 0,01…0,1 мкм) и впадины микронеровностей. Поэтому невозможно обеспечить полное соприкосновение при контакте реальных поверхностей.

Начальное соприкосновение реальных поверхностей происходит по отдельным точкам, расположенным на гребнях микронеровностей. Контакт между поверхностями носит дискретный характер. Размеры суммарной площади контакта зависят от физико-химических свойств и микрогеометрии поверхностей, и составляют 0,01…1% от теоретической площади контакта. При такой площади реального контакта, возникшие единичные металлические связи (единичные очаги схватывания) не могут обеспечить требуемой прочности соединения. Эти очаги нельзя называть сварным соединением их можно рассматривать как начальную стадию сварного соединения. Для получения полноценного сварного соединения поверхности необходимо сблизить на расстояние r0 (r0 = 0,0001…0,0005 мкм), достаточное для образования устойчивой связи. Энергия взаимодействия атомов должна быть минимальной. Уравнение энергетического баланса системы имеет вид:

E=U-TS,

где: E - свободная энергия; U - внутренняя энергия системы; T - температура соединения; S - энтропия. Из уравнения баланса следует, что если атомы располагаются на расстояниях, соответствующих минимуму потенциальной энергии, то система наиболее устойчива. Увеличение или уменьшение этого расстояния приведет к увеличению энергии межатомного взаимодействия. При начальном соприкосновении реальных поверхностей в зазорах между поверхностями устанавливаются только адгезионные связи между металлом и газовыми или жидмолекулами адсорбированных наслоений, находящихся на поверхности реальных металлических поверхностей. Для развития схватывания и дальнейшего сваривания поверхностей необходимо воздействовать на поверхности давлением, позволяющим пластически деформировать микровыступы, или нагреть поверхности, что приведет к увеличению активности и подвижности частиц кристаллической решетки. Пластическое деформирование и нагрев создают в зоне соединения такую концентрацию энергии, что обеспечивается перестройка поверхностных слоев контактирующих тел.

Для получения прочного и надежного сварного соединения необходимо расширение зоны соединения, как по площади, так и по глубине. Расширение зоны соединения реальных поверхностей осуществляется за счет взаимной диффузии. При значительной разнице в физико-химических свойствах соединяемых поверхностей эта зона может стать зоной перестройки химических связей и состава. В зоне может произойти изменение типа и параметров кристаллической решетки, а, следовательно, и изменение физико-химических свойств сварного шва.

Поверхность свариваемых заготовок

На качество и надежность сварного соединения влияет состояние реальной поверхности соединяемых тел. Реальная поверхность любого твердого тела характеризуется геометрическим и физическим факторами.

Геометрический фактор характеризуется отклонениями реальной формы поверхности от номинальной (неплоскостность, овальность, огранка …) и совокупностью неровностей (макрогеометрические неровности - волнистость; и микрогеометрические неровности - шероховатость). Условно их различают по величине отклонения шага неровностей (Sw) к их высоте (Wz): Kz= Sw/Wz. Отклонения формы имеют шаг Kz ? 1000. Волнистость имеет шаг 1000? Kz ? 40. Шероховатость имеет шаг Kz ? 40.

Геометрический фактор определяет площадь фактического контакта соединяемых поверхностей. Чистые металлические поверхности заготовок при соприкосновении контактируют по выступам и впадинам микронеровностей. Фактическая площадь контакта (опорная поверхность) значительно меньше теоретической площади. При приложении к заготовкам давления, происходит смятие выступов микронеровностей. Заготовки сближаются. Увеличивается площадь опорной поверхности. При упруго - пластическом контакте пластическая деформация возрастает до тех пор, пока нагрузка не будет уравновешена сопротивлением контактирующих поверхностей:

P = FопCут,

где: P - сила сжатия; Fоп - фактическая площадь опорной поверхности; C- коэффициент, характеризующий жесткость микронеровностей; ут - предел текучести материала заготовок на сжатие.

Пластическое деформирование микронеровностей (следовательно, и увеличение фактической площади опорной поверхности) приводит к расширению зоны сварного соединения.

Физический фактор определяется состоянием поверхности твердого тела. Над металлической поверхностью существует облако непрерывно движущихся свободных электронов, покидающих поверхность и снова возвращающихся в нее. Это облако покрывает металлическую поверхность двойным электрическим слоем: облако электронов и вакансии в верхних слоях, появившееся за счет покинувших поверхность свободных электронов. Плотность электрического заряда этого слоя зависит от микрогеометрии поверхности тела. Наибольший потенциал концентрируется на остриях микровыступов. На воздухе все выступы и впадины поверхности покрыты оксидными пленками и слоями адсорбированных молекул воды, газов и жировых Таким образом, поверхностный слой твердого тела имеет сложную систему адсорбированных слоев. Над физически чистой поверхностью находятся слои оксидов , прочно связанных с металлом. Выше, возможно наличие адсорбированных слоев воды, газов. Над ними располагаются адсорбированный слой кислородных ионов и адсорбированный слой полярных и неполярных молекул жировых веществ. Оксидный слой, непосредственно прилегающий к металлической поверхности, представляет собой рыхлое покрытие. По мере увеличения толщины этого слоя, увеличивается упорядоченность его кристаллического строения и уменьшается скорость его образования. Наружный слой оксидного покрытия электроположителен. Он адсорбирует на себя отрицательный слой кислородных молекул. Следовательно, окисленный металл покрыт двумя двойными электрическими слоями. Жировые молекулы образуют с металлом двойной электрический слой, что обеспечивает прочную связь металла и жировой пленки (при обработке металлической поверхности растворителями, остается жировая пленка толщиной от 10 до 100 молекул). Жировые пленки глубоко проникают по все микротрещины металлической поверхности.

Наличие трудноудаляемых адсорбированных электрически активных слоев газов, воды, жиров и оксидов препятствует образованию металлических связей при механическом сближении заготовок и требует введения в зону сварки дополнительной (тепловой или механической) энергии расходуемой на разрушения этих слоев.

1.5 Сварочные напряжения и деформации

Неравномерный нагрев сварных изделий, металлургические процессы, протекающие в сварном шве, приводят к появлению внутренних (без приложения внешних сил) сварочных напряжений и к деформациям в сварных изделиях. Рассмотрим механизм возникновения сварочных напряжений при сварке двух пластин встык.

При неравномерном разогреве (температурное поле T=f(y)) заготовок, начальная грань стремится занять верхнее положение. Шов и прилегающая к нему зона металла претерпевают необратимую местную пластическую деформацию сжатия. Эта деформация пропорциональна заштрихованной области эпюры деформаций. Во время охлаждения температурная деформация шва и прилегающей к нему зоны металла ограничены реакцией основного металла. Происходит равномерное укорочение пластин. При этом шов и прилегающая к нему зона металла претерпевают внутреннюю упругопластическую деформацию растяжения, пропорциональную заштрихованной области эпюры деформаций. Соответствующие упругой деформации растягивающие напряжения (+) в шве и в зоне термического влияния уравновешиваются сжимающими напряжениями (-) в основном металле. Наблюдаемые внешние деформации заготовок после сварки не совпадают с внутренними упругопластическими деформациями, а их величины противоположны.

Для предупреждения появления трещин в сварном шве и в зоне термического влияния необходимо снизить внутренние деформации и напряжения (уменьшить реакцию основного металла на разогретые шов и зону термического влияния). Для этого уменьшают геометрическую жесткость свариваемых заготовок, исключают их закрепление при сварке, предварительно подогревают заготовки или после сварки применяют высокий отпуск. Если по техническим условиям недопустимо коробление сварного изделия (внешние деформации), то необходимо наоборот увеличить геометрическую жесткость свариваемых заготовок (постановка ребер жесткости, мембран) или жестко закреплять заготовки при сварке.

1.6 Свариваемость

Под свариваемость понимают способность материалов образовывать сварное соединение. Многие сплавы (как черные, так и цветные) обладают пониженной свариваемостью, которая проявляется в ухудшении механических свойств зоны термического влияния и образовании сварочных дефектов (трещины, закалочные структуры, пористость и так далее). Физическая свариваемость определяется свойствами соединяемых металлов, что в свою очередь, определяет протекание соответствующих физико-химических процессов в зоне сварного шва. Отношение сплава к конкретному способу сварки называют технологической свариваемостью.

Все однородные металлы обладают физической свариваемостью. Различие в свойствах разнородных металлов приводит к тому, что не всегда возможно протекание необходимых для сварки физико-химических процессов. Поэтому разнородные металлы не всегда обладают физической свариваемостью. сварка метал давление деформация

Пористость сварного шва ведет к уменьшению его герметичности и ухудшению механических свойств соединения. Поры в шве образуются в результате насыщения расплава газами и выделения газовых пузырьков при кристаллизации шва. Практически все газы хорошо растворимы в жидкой фазе и плохо растворимы (или не растворимы) в твердой фазе. При кристаллизации сварного шва газы выделяются в виде пузырьков, частично не успевают выделиться в атмосферу и остаются в металле в виде пор. Поры образуются вследствие: наличия влаги в электродных покрытиях, флюсах, защитных газах (насыщение шва водородом); окислительных процессах в шве (насыщение шва оксидом углерода); нарушении защиты шва (насыщение шва азотом и оксидом углерода); большой скорости охлаждения шва при кристаллизации (пузырьки газов не успевают перейти в атмосферу).

Основным признаком, характеризующим свариваемость сталей, является, склонность к образованию трещин. В процессе кристаллизации появляются горячие трещины. В послесварочный период появляются холодные трещины.

Горячие трещины образуются во время кристаллизации шва. В это время металл находится в двухфазном (твердожидком) состоянии. В этом состоянии металл имеет малую пластичность и прочность. При развитии внутренних сварочных деформаций растяжения возможно разрушение металла по границам жидкой и твердой фаз. Обычно горячие трещины образуются вдоль оси сварочного шва, в зоне стыка столбчатых кристаллов. Склонность к горячим трещинам обладают сплавы с широким интервалом кристаллизации, а также сплавы с повышенным содержанием вредных примесей. Холодные трещины обычно возникают в зоне термического влияния после завершения кристаллизации. При наличии в сплаве фосфора возможно образование холодных трещин в период от двух до семи суток после сварки. Появление холодных трещин характерно для углеродистых и легированных сталей (если при сварке появляются закалочные структуры, при усиленном росте зерен, при повышенном насыщении металла газами).

Потенциальную склонность низкоуглеродистых сталей к образованию холодных трещин можно оценить по так называемому эквиваленту углерода (Сэкв):

Cэкв= KC+KSi/24 + KMn/6 + KCr/5 + KNi/10 + KMo/4 + KV/14 + 5KB,

где: KC, KSi, KMn, KCr, KNi, KMo, KV, KB - процентное содержание соответствующего элемента в стали. При Сэкв = 0,4%, сталь считается склонной к образованию холодных трещин.

По свариваемости (ГОСТ 29273-92), стали разделяют на четыре группы: хорошо свариваемые, удовлетворительно свариваемые, ограниченно свариваемые, плохо свариваемые.

Углерод в сталях может находиться в виде цементита (Fe3C), а в чугунах в виде цементита и в свободном состоянии (графит). В сталях количество цементита пропорционально количеству углерода. Цементит повышает сопротивление движению дислокаций, уменьшает пластичность и вязкость сплавов. С увеличением содержания углерода возрастают твердость, пределы прочности и текучести; уменьшаются относительное удлинение, ударная вязкость и трещиностойкость. Вследствие этого углерод при содержании в стали до 0,25% не ухудшает свариваемости. При более высоком содержании свариваемость резко ухудшается, так как в зоне термического влияния образуются закалочные структуры, приводящие к трещинам. Применение средне- и высокоуглеродистых присадочных материалов приводит к пористости шва.

Легирующие элементы по-разному влияют на свариваемость стали.

Карбидообразующие элементы (элементы, обладающие химическим сродством к углероду и образующим с ним карбиды) способствуют появлению закалочных структур и повышенному риску трещинообразования в сварном шве и в околошовной зоне. К карбидообразующим элементам относятся титан, марганец, хром, молибден, ванадий, ниобий.

При содержании хрома до 2% образуется легированный цементит (FeCr)3C. При содержании хрома в пределах 2…10% образуется специальный карбид (CrFe)7C3. При повышении содержания хрома до 10…12% образуются сложные карбиды(Cr, Fe)23C6. Эти карбиды ухудшают коррозионную стойкость стали, резко повышают твердость в зоне термического влияния, интенсифицируют образование тугоплавких окислов, затрудняющих процесс сварки.

Молибден и вольфрам образуют в сталях сложные карбиды: Fe3Mo3C(Fe2Mo2C) и Fe3W3C (Fe2W2C). Молибден измельчает зерно, способствует образованию трещин в зоне термического влияния. При сварке, молибден активно окисляется и выгорает. Вольфрам способствует появлению закалочных структур и активно окисляется, чем препятствует сварке.

Марганец повышает прочность стали, не снижая ее пластичности. Марганец при содержании в стали 1,8…2,5% способствует появлению закалочных структур, что повышает опасность появления холодных трещин при сварке. При содержании в стали 11…16%, марганца, он интенсивно выгорает.

Титан и ниобий способствуют образованию горячих трещин.

Ванадий способствует появлению закалочных структур, чем затрудняет сварку. Ванадий при сварке активно окисляется и выгорает.

Элементы, не образующие карбидов, находятся в стали в твердом растворе (в аустените или в феррите). Обычно эти элементы снижают устойчивость карбида железа (цементита), способствуя его распаду на феррит и свободный углерод (графит). Поэтому эти элементы называют графитизирующими. К графитизирующим элементам относятся кремний и никель.

Кремний дегазирует сталь, повышает ее плотность и предел текучести. Кремний при содержании в стали от 0,02 до 0,3% не вызывает ухудшения свариваемости. При содержании и в стали кремния от 0,8 до 1,5% условия сварки ухудшаются из-за высокой жидкотекучести кремнистой стали и образования тугоплавких окислов кремния.

Никель увеличивает пластические и прочностные свойства стали, измельчает зерна, не ухудшает свариваемость.

1.7 Виды сварных соединений и сварных швов

Возможны, следующие виды сварных соединений.

Стыковые соединения - сварные соединения двух заготовок, примыкающих друг к другу торцовыми поверхностями. Соединения встык - наиболее распространенны. Они имеют высокую прочность при статических и динамических нагрузках. Их применяют при сварке листовых материалов, уголковых профилей, швеллеров, тавровых или двутавровых балок.

Нахлесточные соединения - сварные соединения, в которых сваренные заготовки расположены параллельно и частично перекрывают друг друга Соединения внахлестку применяют при сварке листовых материалов. Эти соединения хуже переносят ударные и знакопеременные нагрузки и не экономичны. Их достоинством является простая подготовка и сборка под сварку.

Прорезные соединения, соединения с накладками и заклепочные соединения. Их применяют в случаях, когда изделие передает большие нагрузки.

Торцовые соединения - сварные соединения, в котором боковые поверхности сваренных заготовок примыкают друг к другу.

Угловые соединения - сварные соединения двух заготовок, расположенных под углом друг к другу и сваренных в месте примыкания их краев. Их, как правило, применяют в качестве связующих элементов.

Тавровые соединения - сварные соединения, в котором торец одной заготовки примыкает под углом и приварен к боковой поверхности другой заготовки. Их применяют при производстве пространственных конструкций. В соединениях без подготовки кромок возможен непровар корня шва. Поэтому эти соединения плохо работают при переменных и ударных нагрузках. Подготовка кромок (одно или двух сторонний скос кромок) обеспечивает полный провар соединяемых заготовок, что обеспечивает хорошую прочность при любых нагрузках.

Соединяя заготовки (элементы) сварным швом получают сварную конструкцию. Сварной шов (СШ) - участок сварного соединения, образовавшийся в результате кристаллизации или в результате пластической деформации при сварке давлением или сочетанием кристаллизации и деформации.

В зависимости от вида сварного соединения различают следующие виды сварных швов: Стыковой шов - СШ стыкового соединения. Угловой шов - СШ углового, нахлесточного или таврового соединения. Точечный шов - СШ, в котором связь между сваренными частями осуществляется сварными точками. Сварная точка - элемент точечного шва, представляющий собой в плане круг или эллипс. По расположению в пространстве различают горизонтальные, вертикальные, потолочные и нижние сварные швы. Сочетание потолочного шва с вертикальным называется полупотолочным швом. По конфигурации различают прямолинейные, кольцевые, замкнутые и разомкнутые швы.

По протяженности различают сплошные и прерывистые швы. Прерывистые швы делятся на: короткие, средние, длинные, цепные и шахматные. По характеру выполнения различают односторонние и многосторонние швы.

В зависимости от направления действия внешнего усилия различают швы: фланговые, лобовые, комбинированные и косые. Во фланговом шве внешнее усилие действует параллельно оси шва; в лобовом - перпендикулярно; в косом - под углом.

По форме наружной поверхности шва различают нормальные (плоская поверхность), выпуклые и вогнутые швы. Сварные соединения с выпуклыми швами лучше работают при статических нагрузках, но они металлоемки. Сварные соединения с нормальными и вогнутыми швами лучше работают при динамических и знакопеременных нагрузках.

Для повышения точности сварки, свариваемые заготовки часто предварительно собирают с помощью прихваток. Прихватка - короткий сварной шов для фиксации взаимного расположения подлежащих сварке деталей.

2. Контроль сварных соединений

2.1 Дефекты сварных соединений

Дефект изделия - каждое отдельное несоответствие изделия требованиям, установленным нормативной документацией. В сварочном производстве различают дефекты подготовки и сборки заготовок под сварку и собственно сварочные дефекты.

Дефекты подготовки и сборки проявляются в неправильных углах скоса кромок, непостоянстве зазора между стыкуемыми кромками, расслоениях и загрязнениях на кромках, несовпадении стыкуемых поверхностей, несоответствии линейных и угловых размеров изделия чертежу. Основные причины этих дефектов - ошибки конструктора, несоответствие исходных материалов технологическим требованиям, неисправности технологического оборудования и оснастки, низкая квалификация сварщика и низкая технологическая дисциплина на производстве.

Сварочные дефекты могут быть наружными (дефекты формы шва: наплывы, подрезы, не заделанные кратеры, прожоги) и внутренними (дефекты структуры материала и различные несплошности). Наплывы - натекание расплавленного металла электрода на нерасплавленный основной металл из-за чрезмерной силы тока при длинной дуги большой скорости сварки, неудобного пространственного положения шва, увеличенного наклона плоскости сварки, неправильного ведения электрода, недостаточного опыта сварщика. Подрезы - углубления в основном металле, идущие по краям шва. Возникают из-за значительного тока, повышенного напряжения дуги, неудобного пространственного положения при сварке, небрежности сварщика. Кратер - углубление в конце шва при внезапном прекращении сварки. Прожоги - сквозные отверстия в сварном шве, образующиеся в результате вытекания сварочной ванны при сварке металла небольшой толщины и первого слоя в многослойных швах, при сварке снизу вверх вертикальных швов. Причинами являются чрезмерно высокая погонная энергия дуги, неравномерная скорость сварки, остановка источника питания увеличенный зазор между кромками свариваемых элементов. Поджоги - возникают в результате возбуждения дуги « чирканье электродом» на краю кромки. К внутренним дефектам (несплошностям) относятся: поры, шлаковые включения, непровары, несплавления, трещины. Поры - полости округлой формы, заполненные газом, образуются вследствие загрязненности кромок, использования влажного флюса, отсыревших электродов, недостаточной защиты шва при сварке в СО2, увеличенной скорости сварки, завышенной длины дуги. Шлаковые включения в металле сварного шва - небольшие объемы, заполненные неметаллическими веществами. Оксидные пленки - возникают из-за загрязненности поверхностей свариваемых элементов, плохой зачистке от шлака слоев шва при многослойной сварке, низкого качества электродного покрытия или флюса, низкой квалификации сварщика. Непровары - местные несплавления в сварном соединении. Причинами являются плохая зачистка кромок, блуждание или отключение дуги, чрезмерная скорость сварки, смещение электрода в сторону одной из кромок, неудовлетворительное качество исходных материалов, неудовлетворительная работа сварочного оборудования, низкая квалификация сварщика. Трещины - частичное местное разрушение сварного соединения в виде разрыва.

Этому способствуют следующие факторы: сварка легированных сталей в жестко закрепленных конструкциях, высокая скорость охлаждения при сварке углеродистых сталей, склонных к закалке на воздухе, применение высокоуглеродистой электродной проволоки, использование повышенных плотностей сварного тока, недостаточный зазор между кромками деталей при электрошлаковой сварке, выполнение работ при низкой температуре. Слипания - несплошности малого раскрытия на свариваемых поверхностях или кромках металла. Наиболее вероятно их возникновение при аргонодуговой сварке алюминиевых и магниевых сплавов и при сварке давлением.

2.2 Методы контроля сварных соединений

Различают три уровня контроля производства сварных конструкций: предварительный (входной), текущий и приемочный. При входном контроле устанавливают соответствие сертификационных данных в документах предприятий (производств) поставщиков и фактическое соответствие основных параметров поставляемых материалов и полуфабрикатов требованиям, предъявляемым к ним в соответствии с назначением изделия. При изготовлении ответственных конструкций сваривают контрольные образцы. Из них вырезают образцы для испытаний. По результатам испытаний оценивают качество основного и сварочных материалов, квалификацию сварщиков, корректируют технологические режимы сварки. При текущем контроле проверяют соблюдение сварщиками технологических режимов, исправность технологического оборудования и оснастки. Контролируют фактические геометрические параметры сварного шва, наличие в нем дефектом и геометрические параметры сварной конструкции. Замеченные отклонения устраняются в процессе изготовления данной конструкции. Ответственные конструкции подвергаются приемочному контролю. Поверхностные дефекты и геометрические отклонения шва и конструкции в целом определяются внешним осмотром и с помощью линейно - угловых средств измерений.

Проводятся испытания сварных швов на плотность, герметичность. Для выявления внутренних дефектов швы подвергаются магнитному контроля, контролю различными видами излучений (рентгеновское, гамма-излучение), контролю ультразвуком.

Испытанию на плотность и герметичность подвергаются емкости, сосуды, трубопроводы, предназначенные для кратковременного или продолжительного хранения или передачи жидкостей и газов под избыточным давлением. Различают испытания: гидравлические, пневматические, с помощью течеискателей и керосином. При гидравлических испытаниях, изделие заполняют водой, создают избыточное давление (в 1,5…2 раза больше рабочего). Выдерживают изделие в течение 5…10 минут. Затем контролируют швы на наличие течи, капель, отпотеваний. При пневматических испытаниях, в изделие нагнетается воздух под избыточным давлением (на 0,01..0,02 МПа). Швы смачиваются мыльным раствором или опускают в воду. Наличие неплотности определяется по мыльным или воздушным пузырькам.

При испытаниях с помощью течеискателей внутри изделия создается разряжение, а швы снаружи обдуваются воздушно - гелиевой смесью. Через неплотности, гелий засасывается внутрь изделия, откуда отсасывается в течеискатель и регистрируется специальной аппаратурой. При испытаниях керосином, швы снаружи смачиваются керосином. Другая сторона шва окрашивается мелом. Неплотности обнаруживаются в виде потемневших пятен на мелованной стороне.

Электромагнитные методы контроля основаны на регистрации изменения взаимодействия электромагнитного поля с контролируемым объектом и эталонным образцом. Для этого используют как постоянные, так и переменные (с частотой до 10 МГц) электромагнитные поля. При взаимодействии электромагнитного поля с исследуемым объектом дефект даст возмущение поля. Структуру вблизи объекта можно установит с помощью подвижного датчика и сканирующей системы. Регистрация структуры поля осуществляется измерительной и записывающей системами. При сравнении структуры поля эталонного объекта, не имеющего дефектов со структурой исследуемого объекта можно судить о наличии дефектов. Магнитопорошковый метод контроля основан на различии магнитного рассеивания основного металла сварного соединения и дефектных участков. Исследуемый объект намагничивают.

На поверхность сварного соединения наносят масляную суспензию железной окалины. Для облегчения подвижности окалины, образец слегка простукивают. По скоплению окалины судят о наличии дефектов с глубиной залегания до 6 мм.

Радиационные методы контроля основаны на поглощении и рассеивании ионизирующего излучения, проходящего через исследуемый объект. Степень ослабления излучения зависит от: интенсивности и энергии излучения; толщины и плотности объекта. Наличие в объекте дефекта (имеющего определенные размеры и иную, чем у объекта плотность) меняет характеристики ослабленного излучения. Поэтому, ослабленное излучение несет информацию о внутренней структуре объекта. В промышленности применяют установки с рентгеновским излучателем или с источником гамма-излучения (кобальт - 60, тулий - 170, иридий - 192). Промышленные рентгеновские аппараты позволяют просвечивать соединения из стали толщиной до 200 мм с регистрацией дефектов, размеры которых составляют до 2% от толщины металла. Промышленные аппараты с гамма-источником более компактны, чем рентгеновские, но при толщинах исследуемого объекта от 50 мм имеют низкую чувствительность.

Ультразвуковые методы контроля основаны на изменении структуры ультразвуковой волны (частота 0,5…25 МГц) при прохождении участков с различной плотностью и протяженностью. Акустическое поле излучателя распространяется в объеме исследуемого объекта. При наличии дефекта акустическое поле изменяет свою структуру (появятся акустическая тень и отраженная волна). Регистрируя с помощью приемников отраженную волну и ослабление волны, можно судить о расположении и размерах дефекта. Промышленные ультразвуковые дефектоскопы позволяют обнаружить дефекты размером 1…2 мм2 на глубине от 1 до 250 мм.

Размещено на Allbest.ru