Зону основного металла, прилегающую ко шву, называют зоной термического влияния (З.Т.В.).
В этой зоне различают шесть характерных участков. Наиболее опасными являются первые два.
Участок неполного расплавления (зона сплавления). В нем происходят диффузионные процессы и поглощение газов.
Участок перегрева - характеризуется крупнозернистой структурой с низкими механическими свойствами. Этот участок особенно опасен для сталей, склонных к закалке. Здесь наблюдается образование закалочных структур, повышение твердости, падение пластичности и, как следствие, холодные трещины.
Свариваемость углеродистой стали изменяется в зависимости от содержания основных легирующих элементов и примесей.
Углерод наиболее заметно ухудшает свариваемость. С увеличением содержания углерода в З.Т.В. появляются закалочные структуры и трещины, шов получается пористым.
Сера и фосфор являются вредными примесями и приводят к появлению холодных и горячих трещин.
Газы (O2, N2, H2) ухудшают свариваемость (особенно заметно - водород, приводит к появлению холодных трещин).
Влияние основных легирующих элементов (Si, Mn, Cr, Ni, Mo) на свариваемость зависит от их содержания в стали.
Для металлов с пониженной свариваемостью характерно образование горячих или холодных трещин в шве и З.Т.В.
На стойкость сварных соединений против образования трещин оказывает
влияние развитие сварочных напряжений и деформаций. Снижение внутренних
деформаций и напряжений - один из путей предупреждения трещин. Это достигается
уменьшением геометрической жесткости свариваемых заготовок, исключением
закрепления при сварке, применением предварительного подогрева для выравнивания
температур по объему изделия, использованием высокого отпуска изделия
непосредственно после сварки. Для снижения внутренних сварочных напряжений и
деформаций служит также метод создания обратных деформаций, состоящий в
придании изделию предварительных деформаций, обратных сварочным деформациям.
Низкоуглеродистые и низколегированные стали обладают хорошей свариваемостью и свариваются всеми способами без особых трудностей. Углеродистые и легированные стали с содержанием углерода более 0,3% (например, 45, 30ХГСА, 40ХНМА и др.) склонны к закалке в З.Т.В. при типовых режимах сварки и, таким образом, очень чувствительны к образованию холодных трещин.
1) предварительный и последующий подогрев деталей до температуры 100…350 0С;
2) прокалка электродов и флюсов при температуре 400…450 0С, осушение защитных газов перед сваркой (предупреждает попадание водорода);
3) термообработка после сварки (низкий и высокий отпуск).
Контактную сварку таких сталей выполняют на мягких режимах.
К ним относятся стали, содержащие более 8…10% легирующих элементов. При сварке этих сталей наблюдается образование карбидов и их выделение по границам зерен, образование закалочных структур, выгорание легирующих элементов, образование трещин (холодных и горячих). Во избежание этих явлений необходимо:
1) сварку проводить с предварительным подогревом (150…400 0С);
) не допускать перегрева металла (сварка на малой погонной энергии);
) применять специальные составы флюсов и электродных материалов (способствует измельчению зерна);
) применять термообработку после сварки (высокий отпуск или отжиг).
Сварка чугуна производится при исправлении брака в чугунных отливках, при ремонтных работах (заварке трещин), а также при изготовлении сварно-литых конструкций из высокопрочных чугунов.
Чугун - трудно свариваемый сплав.
Основные трудности сварки:
1) образование в сварном соединении зоны отбеливания (структуры цементита) в связи с большой скоростью охлаждения расплавленного чугуна;
) возникновение трещин при местном нагреве;
) выгорание углерода и образование пор;
) образование шлаковых включения кремнезема;
) неоднородность механических свойств вследствие структурной неоднородности (феррит, перлит, цементит и др.).
Применяют два основных способа сварки чугуна - горячую и холодную сварку.
Горячая сварка производится с предварительным и сопутствующим подогревом деталей до 400…700 0С. Детали подогревают в печах. Применяется ручная или полуавтоматическая дуговая сварка, электрошлаковая, а также науглероживающим газовым пламенем. После сварки деталь медленно охлаждают вместе с печью или засыпают песком, шлаком, накрывают асбестом и т.д. для уменьшения скорости охлаждения.
В качестве сварочных материалов используют чугунные электроды из серого чугуна, медь и ее сплавы, буру (Na2B4O7).
Холодная сварка производится без подогрева стальными медно-железными, медно-никелевыми электродами, электродами из аустенитного чугуна, а также порошковыми и сплошного сечения проволоками на железоникелевой основе (например, ПАНЧ-11) с добавлением модификаторов.
Стальные электроды используют при ремонте неответственных деталей, для ответственных: монельметалл (70% Ni, 28%Cu, Fe-остальное), мельхиор (80% Cu, 20% Ni), ПАНЧ - 11(90% Ni, 10% Fe, 0,25% Ce).
Применяют также сварку с местным нагревом до температуры 250…450 0С
и замедленным охлаждением изделия после сварки - полугорячую.
.5 Сварка алюминия и его сплавов
Трудности при сварке алюминия и его сплавов связаны:
) с образованием тонкой, прочной и тугоплавкой поверхностной пленки Al2O3 (Тпл=2050°С);
) склонностью к образованию газовой пористости (водородной);
)склонностью к образованию горячих трещин (связана с крупнокристаллитной макроструктурой швов);
) низкой температурой плавления;
) большой теплопроводностью (~ в 3 раза выше, чем у стали).
Для удаления пленки Al2O3 и защиты металла от повторного окисления используют флюсы, состоящие из хлоридов и фторидов Na, K, Ba Li, Ca (действие их основано на растворении пленки оксидов), или ведут сварку в атмосфере инертных газов (аргона). Применяют аргонодуговую сварку неплавящимся электродом на переменном токе (для обеспечения эффекта катодного распыления) с использованием осцилляторов, а также сварку плавящимся электродом на постоянном токе обратной полярности.
Для предупреждения газовой пористости необходима тщательная механическая и химическая (раствором NaOH) очистка свариваемых кромок и сварочной проволоки.
Для предотвращения горячих трещин в шов через проволоку вводят Fe (нейтрализует вредное влияние кремния) и модификаторы Zr, Ti, и В (измельчают кристаллы). При сварке алюминиевого литья применяют подогрев до 250 0С. Для получения мелкозернистой структуры после сварки предусматривают термообработку.
Применяют также автоматическую сварку плавящимся электродом по слою флюса. При контактной сварке Al - сплавов применяют токи большой силы (значительно больше, чем при сварке стали) малое время сварки (жесткий режим). Газовая сварка Al - сплавов производится горелками по мощности в два раза больше чем при сварке сталей.
В настоящее время все шире применяется электронно-лучевая сварка.
На сварку меди значительное влияние оказывает содержание примесей O2, H2, Bi, Pb. Вредные примеси являются причиной образования горячих трещин (O2, Bi, Pb), газовой пористости (Н2), повышенной хрупкости (Н2О).
Для сварки меди используется сварка в среде Ar, He на повышенной погонной энергии, газовая сварка пламенем повышенной мощности (вследствие высокой теплопроводности меди). При этом при сварке изделий толщиной свыше 4 мм применяют предварительный подогрев до 300 0С. Сварку ведут электродными материалами с повышенным содержанием раскислителей (Ti, Zr, B, P, Si и др.).
Сварку деталей большой толщины (свыше 30 мм) производят плазменной сваркой, а более 50 мм - электрошлаковой.
Сварка латуней производится в основном газовым пламенем. Применяется также сварка неплавящимся электродом в среде защитных газов. Основной трудностью при сварке латуней является испарение цинка. В результате снижается прочность и коррозионная стойкость латуней. Кроме того, пары цинка ядовиты (сварщики работают в масках). В связи с этим сварку латуней ведут с большой скоростью и использованием так называемого газового флюса. В пламя горелки подают пары борсодержащей жидкости. Образующийся на поверхности сварочной ванны борный ангидрид (В2О3) связывает пары цинка в шлак.
Бронза сваривается такими же методами, как и латунь. Оловянистые бронзы
при температуре порядка 600 0С приобретают повышенную хрупкость. В
связи с этим сварку ведут на подкладках с большой скоростью во избежание
нагрева металла.
Основная трудность - легкая воспламеняемость магния. Кроме того, на
поверхности расплавленных магниевых сплавов образуется окисная пленка с
Тпл=2500 0С. Поэтому сварку Mg-сплавов производят методами,
аналогичными применяемым при сварке алюминием.
Сварка титановых сплавов производится в среде аргона. При этом
дополнительно защищают струями аргона корень шва и еще не остывший до
температуры 350 0С участок шва. Дополнительно могут применять флюс.
Это связано с тем, что при повышенных температурах титан интенсивно поглощает
газы (O2, H2, N2). Проволоку и основной металл перед сваркой дегазируют путем
вакуумного отжига. Допустимое количество газов в швах составляет Н2 < 0,01%;
О2<0,1%; N2<0,05%. При большем содержании газов снижается пластичность
металла и повышается опасность появления холодных трещин. Поэтому сварку
ответственных соединений ведут в камерах с контролируемой атмосферой. Для
сварки титана также применяют электрошлаковую (при s>40 мм), электронно-лучевую
и плазменную сварку.
Дефекты в сварных соединениях бывают двух типов: внешние и внутренние. К внешним относятся: неравномерность поперечного сечения по длине швов, не заплавленные кратеры, подрез, наружные несплавления, поверхностные трещины и поры.
К внутренним: скрытые трещины и поры, внутренние непровары и несплавления, шлаковые включения и др.
Причины образования дефектов разнообразны. Неравномерность сечения шва возникает вследствие нарушения режима сварки. Подрезы - в случае большого тока и большой мощности сварочной горелки.
Причиной образования пор является насыщенность швов газами (H2, CO, N2, O2), проникающими из воздуха, покрытия, флюса, проволоки, загрязненных кромок изделия.
Причиной непроваров может явиться малая величина тока или мощность горелки, плохая зачистка кромок основного металла или слоев при многослойной сварке, низкая квалификация сварщика, неправильная технология сборки и сварки.
Трещины образуются при сварке сталей с повышенным содержанием углерода или легирующих элементов, а также серы и фосфора. Причинами их могут также быть большие деформации при сварке, а также чрезмерно жесткое закрепление свариваемых деталей.
Трещины и непровары - наиболее опасные дефекты сварных соединений.
Методы контроля делят на разрушающие и неразрушающие в зависимости от нарушения целостности соединения при контроле. Основными видами контроля являются:
1 Внешний визуальный контроль (предварительный контроль). Определяют подрезы, поры, трещины, неравномерность сечения и т.д.
Механические испытания с целью определения механических свойств (sТ, sВ, d, y, кси).
Испытание швов на плотность (герметичность) проводится при гидравлическом, пневматическом испытании или керосиновой пробе. Первым двум видам испытания подвергают сосуды, трубы емкости, работающие под давлением.
4 Рентгеновское просвечивание выявляет поры, трещины, непровары и шлаковые включения в стали толщиной 10…200 мм, алюминии - до 300 мм, меди - до 25 мм без разрушений соединений.
Просвечивание гамма - лучами основано на излучении радиоактивных элементов: радия, тория и искусственных изотопов (кобальта, цезия, иридия и др.).
Применяют для просвечивания магистральных трубопроводов. Фиксируют дефекты в сварных швах при просвечивании рентгеновскими, гамма лучами с помощью рентгеновской пленки.
6 Ультразвуковой метод применяют для выявления дефектов в металле толщиной 5…3600 мм. Основан на способности ультразвуковых колебаний проникать на большую глубину и отражаться от дефектов. В местах дефекта появляется пик сигнала.
7 Магнитный контроль основан на принципе рассеяния магнитных потоков (замыкания через воздух) в местах дефектов. Пригоден для определения мелких трещин, пор, непроваров. Дефекты фиксируются с помощью магнитного порошка, записи на ферромагнитной пленке (магнитографический метод), либо с помощью магнитоэлектрического прибора (индукционный метод).
Металлографические исследования - проведение макро- и микроанализа
сварных швов. Макроанализом выявляют поры, трещины, шлаковые включения,
непровары и др., микроанализом - структуру и структурные составляющие,
микротрещины, неметаллические включения.
Под технологичностью понимают выбор конструкции заготовок, который
обеспечивает удобство и простоту изготовления любыми видами сварки и при
различных режимах; применение высокопроизводительных видов сварки;
автоматизацию и механизацию операций технологического процесса; низкую
себестоимость процесса сварки за счет экономии сварочных материалов, повышение производительности;
сведение к минимуму коробления при сварке. Технологичность обеспечивается
выбором металла (эксплуатационные свойства, свариваемость), типа соединения
(взаимное расположение свариваемых элементов, форма подготовки кромок под
сварку в зависимости от толщины и типа соединения), формы свариваемых элементов
(исходя из применения высокопроизводительных способов сварки, свободного
доступа к лицевой и корневой частям шва, выполнение сварки в нижнем положении и
др.), выбором вида сварки (исходя из размера и формы соединения, расположения
швов, физико-химических свойств материалов, возможности автоматизации и
механизации сварки), выбором способа уменьшения деформации и напряжения.
Литература
1. Магомедов М.Н.: Изучение межатомного взаимодействия, образования вакансий и самодиффузии в кристаллах. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010
2. Симонов Е.: Гипсокартонные работы своими руками. - СПб.: Питер, 2010
. Симонов Е.В.: Дизайн, перепланировка, отделка квартир. - СПб.: Питер, 2010
. [под общ. ред. М.М. Криштала ; рец.: А.М. Глезер, В.С. Кондратенко] ; Криштал М.М. и др.: Сканирующая электронная микроскопия и рентгеноспектральный микроанализ в примерах практического применения. - М.: ТЕХНОСФЕРА, 2009
. Габуда С.П.: Неподеленные электронные пары и химическая связь в молекулярных и ионных кристаллах. - Новосибирск: СО РАН, 2009
. Головин Ю.И.: Наноиндентирование и его возможности. - М.: Машиностроение, 2009
. М-во образования и науки РФ, Федеральное агенство по образованию, Санкт-Петербургский гос. электротехнический ун-т "ЛЭТИ": Развитие инфрастуктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008-2010 годы. - Тверь: Тверской государственный университет, 2009
. М-во образования и науки Украины , Харьковский национальный ун-т им. В.Н. Каразина ; рец.: И.Е. Проценко, А.Г. Багмут: Наноматериалы, нанопокрытия, нанотехнологии. - Харьков: ХНУ им. В.Н. Каразина, 2009
. под ред. В.С. Чередниченко ; [рец.: Г.П. Фетисов и др.]: Материаловедение. - М.: Омега-Л, 2009
. Солнцев Ю.П.: Материаловедение. - М.: Академия, 2009
. Жиляев А.П.: Сверхпластичность и границы зёрен в ультрамелкозернистых материалах. - М.: Физматлит, 2008
. под ред. С.Б. Рыжова: Стали и сплавы энергетического оборудования. - М.: Машиностроение, 2008