Цель работы
Изучение микроструктуры сварных соединений с определением характера структуры сварного шва, зоны термического влияния и основного металла
1. Основные теоретические представления
При изучении микроструктуры сварных соединений, состоящих из зоны сварного шва, зоны оплавления и зоны термического влияния, необходима информация о процессах первичной и вторичной кристаллизации сплавов (в результате которых формируется структура сварного шва), закалки, перегрева, нормализации, рекристаллизации и отжига. При этом важно учитывать переохлаждение, ликвацию, возможное наличие неметаллических включений, газовых пор, трещин, возникших за счет усадочных напряжений при первичной кристаллизации сварного шва, образование неравновесных структур, а также термическое влияние на структуру основного
Рис.1.Схема процесса сварки металлическим покрытым электродом:
1- Основной металл; 2- Шлаковая корка; 3- Сварочный шов; 4- Жидкая шлаковая ванна; 5- Защитная газовая атмосфера; 6- Покрытие электрода; 7- Стержень электрода; 8- Сварочная дуга; 9- Сварочная ванна.
металла в околошовной зоне.
Отличие процесса кристаллизации металла сварочной ванны от кристаллизации жидкого металла в изложнице заключается в следующем:
Сварочная ванна находится под воздействием нагрева сварочного пламени и охлаждения со стороны твердого металла (Рис.1).
Жидкий металл сварочной ванны окружен твердым металлом свариваемого изделия, нагретым до различных температур. В результате металл изделия по боковым стенкам ванны менее нагрет, чем металл сварного шва.
Средняя скорость кристаллизации металла шва равна скорости перемещения ванны (скорость сварки).
Под первичной кристаллизацией понимают зарождение и рост кристаллов из расплава при затвердевании сварочной ванны. У металлов и сплавов не испытывающих аллотропических превращений (алюминий, медь, никель и их сплавы) первичная структура почти не изменяется при ее дальнейшем охлаждении и от нее зависят свойства сварного шва. Потому необходимо знать условия ее образования и влияющие на нее факторы.
У металлов и сплавов с аллотропическими модификациями, в том числе у сталей, в процессе охлаждения в твердом состоянии (после первичной кристаллизации) протекает вторичная кристаллизация (перекристаллизация первичной структуры). В этом случае свойства вторичной структуры определяются модификациями, устойчивыми при более низких температурах. Однако существует определенная связь между первичной и вторичной структурой.
При кристаллизации металлических расплавов различают переохлаждение расплава, образование центров кристаллизации и их рост в кристаллы.
Переохлаждение может быть термическим и концентрационным. Термическое переохлаждение имеет значение в технически чистых металлах только при образовании центров кристаллизации. Однако при сварке всегда имеются готовые зародыши кристаллизации. Особого внимания заслуживают нерасплавившиеся кристаллиты основного металла, граничащего со сварочной ванной, на которых может происходить эпитаксиальная (с той же кристаллографической ориентацией) кристаллизация из жидкой фазы (первый фронт кристаллизации). В данном случае термическое переохлаждение может быть меньшим или отсутствовать.
Рост зародышей (центров кристаллизации) происходит за счет концентрационного переохлаждения, которое развивается только в сплавах и сильно загрязненных металлах. Концентрационное переохлаждение связано с изменением состава жидкой и твердой фаз при кристаллизации сплава в интервале температур ликвидус - солидус. В сварном шве в зависимости от объемного распределения градиентов температур и скорости кристаллизации концентриционное переохлаждение непрерывно возрастает от границы сплавления основного металла со сварочной ванной к середине шва. Поэтому в середине сварного шва вследствие концентрационного переохлаждения может возникнуть второй фронт кристаллизации.
Таким образом, различают два фронта кристаллизации сварочной ванны. В результате первого фронта кристаллизации кристаллы растут от частично оплавленных зерен основного металла, граничащих со сварочной ванной и играющих роль готовых центров. Эти кристаллы наиболее быстро растут перпендикулярно к граничным поверхностям и в направлении обратном теплоотводу. При этом образуются ориентированные столбчатые кристаллы. В условиях сварки столбчатые кристаллы растут от боковых сторон сварочной ванны по направлени к центру
шва и расположение их зависит от глубины провара основного
металла , (Рис.2).
Кристаллы второго фронта кристаллизации образуются из
зародышей кристаллизации в результате концентрационного
переохлаждения и имеют равноосное строение. Такие
а) б) кристаллы растут в средней зоне сварного шва (см. рис.2).
Рис2 Схема кристаллизации
металла сварного шва с глубоким
(а) и малым (б) проваром
2. Микроструктурный анализ сварных соединений низкоуглеродистой стали
Оценивать структуру сварных соединений по диаграммам состояния можно только приблизительно, так как их условия охлаждения не отвечают равновесному охлаждению, при котором строятся диаграммы состояния. При этом следует учитывать процессы ликвации и возможность образования неравновесных структур.
Для назначения режимов термической обработки сварных соединений и определения влияния теплового воздействия при сварке на зоны основного металла, граничащие со швом, использование диаграмм состояния является вполне возможным.
Более точно можно определить структуру стальных сварных соединений по термокинетическим диаграммам - диаграммам превращения аустенита при непрерывном охлаждении.
В низкоуглеродистой стали с содержанием углерода 0,2-0,4% в результате перекристаллизации образуется структура из зерен феррита и небольшого количества перлита. При этом значительно увеличивается число зерен за счет образования в одном первичном зерне аустенита нескольких зерен феррита и перлита. Такая структура обладает хорошими механическими свойствами.
Однако известно, что в структуре доэвтектоидных сталей избыточный феррит, а в заэвтектоидных - избыточный цементит могут выделяться из аустенита не по границам зерен, а по кристаллографическим плоскостям отдельных кристаллитов в виде полос, прожилок параллельных друг другу или под углом 60-90-120°..Такая структура встречается в литой стали и в стали перегретой при отжиге или горячей механической обработке. Структура перегретой стали нежелательна, так как она снижает механические свойства, особенно сопротивление ударным нагрузкам.
Температура нагрева сварного соединения при сварке различна, начиная от нормальной (комнатной) температуры и кончая температурой плавления сплава. Поэтому и структура металла зоны сварного шва, зоны сплавления и различных участков зоны термического влияния будет различной. При этом характер структур в отдельных участках этой зоны может быть определен по диаграмме состояния сплава, подвергаемого сварке.
Рис.3. Температурные границы участков зоны термического влияния:
а - схема микроструктур околошовной зоны;
б - схема диаграммы состояния железо-цементит, с указанными на ней участками
зоны термического влияния для низкоуглеродистой стали.
На рис.3 показаны температурные границы и микроструктура участков зоны термического влияния свариваемой низкоуглеродистой стали.
М икроструктура наплавленного металла (сталь 08) в зоне сварного шва состоит из крупных ориентированных кристаллитов феррита и весьма незначительного количества перлитных участков (рис.4). Столбчатые кристаллиты феррита в сечениях, не параллельных их продольным осям, могут наблюдаться в виде зернистой структуры. На этом же рисунке видна граница перехода наплавленного металла (зона сварного шва) к участку неполного расплавления (зона сплавления). Для участка неполного расплавления - участка 1 на рис.3, а также для участка перегрева - участка 2 на рис.3 характерна видманштеттова структура с крупными темными зернами перлита (квазиэвтектоида) и феррита в виде светлой сетки, игл или пластин (рис.5).
Рис.4. Схема микроструктуры наплав- Рис.5. Схема микроструктуры стали
ленного металла (сталь 08, феррит и марки 5 на участке перегрева. Вид-
перлит; и стали марки 5 (0,35%С) на манштеттова структура, перлит (ква-
участке неполного расплавления (фер- зиэвтектоид) и феррит, х 250
рит и перлит), х 250
Большое количество квазиэвтектоида объясняется неравновесной кристаллизацией, при которой перлит образуется при содержании углерода меньше 0,8%. Подобная структура обладает, как известно, низкими механическими свойствами, особенно низкой ударной вязкостью.
Участок неполного расплавления при максимальной температуре нагрева состоит из смеси жидкой и твердой фаз, что вызывает развитие крупнозернистой структуры. При сварке низкоуглеродистой стали интервал температур неполного расплавления очень мал, что способствует образованию незначительных по размерам и трудноразличимых в структуре стали участков. Вместе с тем, влияние этого участка перехода наплавленного металла к основному на качество сварного соединения весьма значительно.
Участок перегрева с крупнозернистым строением включает металл, нагретый до температуры, близкой к температуре плавления.
Повышение содержания углерода в свариваемой стали ухудшает механические свойства перегретой структуры и затрудняет восстановление их последующей термической обработкой.
Для участка нормализации (участок 3 см.рис.3), распространяемого на нагреваемый при сварке выше критической точки Aс3 металл, характерна мелкозернистая структура, состоящая из светлых зерен феррита и темных зерен перлита (рис.6).
 
Рис.6. Схема микроструктуры стали Рис.7. Схема микроструктуры стали
марки 5 на участке нормализации. марки 5 неполной перекристаллизации
Перлит (квазиэвтектоид) и феррит, Перлит и феррит, х 250.
х 250.
Значительное измельчение зерна основного металла связано с перекристаллизацией при нагреве и охлаждении. Поэтому участок нормализации металла обладает более высокими механическими свойствами, чем основной металл вне зоны термического влияния.
Участок неполной перекристаллизации (участок 4, см. рис.3), включает металл, нагретый при сварке в интервал температур от критической точки Ас1 до Ас3. При этом в структуре наблюдаются более крупные светлые зерна феррита, не прошедшие перекристаллизацию, и более мелкие светлые зерна феррита и темные зерна перлита, прошедшие перекристаллизацию (рис.7). Значительное различие о размерах зерен снижает механические свойства.
Участок рекристаллизации (участок 5, см. рис.3) включает металл, нагретый при сварке в интервал температур 500-725°С, Сильное изменение микроструктуры участка рекристаллизации наблюдается только в стали, предварительно деформированной в холодном состоянии. Микроструктура участка рекристаллизации (рис.8) будет отличаться от строчечной структуры холоднонормированной стали (рис.9) более произвольно расположенными мелкими светлыми зернами феррита и темными зернами перлита. При этом размер зерен зависит от температуры и времени рекристаллизации.
Металл на участке рекристаллизации будет иметь более высокую пластичность и несколько меньшую прочность и твердость по сравнению с исходным холоднодеформированным состоянием. Изменение структуры и свойств металла на участке рекристаллизации по сравнению с основным недеформированным металлом не наблюдается.
Участок синеломкости (участок 6, см. рис.3) по структуре совершенно не отличается от основного металла (см. рис.9). Однако участок синеломкости при нагреве до температур 200-250°С обладает пониженной пластичностью, что может послужить причиной образования трещин при сварке.
Рис.8 Схема микроструктуры стали 5 на Рис.9. Схема микроструктуры предварительно
участке рекристаллизации. Перлит и фер- деформированной стали 5 на участке синеломкости
рит, х 250. вне зоны термического влияния. Строчечная структура.
Перлит и феррит, х 350.
Информация о строении и свойствах отдельных участков сварного соединения позволяет более правильно оценить его качество и выбрать соответствующую термическую обработку для него в целом или отдельно для сварного шва.
3. Методика выполнения работы
- Изучите особенности формирования структуры сварного соединения.
- Изучите микроструктуры сварных соединений низкоуглеродистой стали (альбом, с.31-35).
- Изобразите схемы микроструктур сварных соединений низкоуглеродистой стали.
- Выполните микроструктурный анализ сварных соединений низкоуглеродистой стали.
Составьте отчет о работе.
Содержание отчета
Цель работы.
Особенности формирования структуры сварных соединений.
- Схемы микроструктур сварных соединений низкоуглеродистой стали.
- Микроструктурный анализ сварных соединении низкоуглеродистой стали.
Контрольные вопросы
Из каких зон состоит сварное соединение?
- Каковы отличия процесса кристаллизации металла сварочной ванны от кристаллизации жидкого металла в изложнице?
Что понимают под первичной и вторичной кристаллизацией?
- Какие процессы проходят при кристаллизации металлических расплавов?
- Что представляют собой кристаллы первого и второго фронта кристаллизации?
- Какие участки зоны термического влияния в сварных соединениях вы знаете?
- Какой участок зоны термического влияния обладает более высокими механическими свойствами, чем основной металл и почему?
- Как изменяются механические свойства металла на участке перегрева при повышении содержания углерода в свариваемой стали?
Каков характер структуры зоны сварного шва?
- Как изменяется структура околошовной зоны при переходе от
зоны сварного шва к основному металлу?
Рекомендуемый библиографический список
Гуляев А.П. Металловедение. - М,: Металлургия, 1986. - 544 с;с.341-343.
Лившиц Л.С., Хакимов А.Н. Металловедение сварки и термическая обработка сварных соединений. - М.: Машиностроение, 1989. -336 с; с.26-38.
Хори Ф. Атлас структур сварных соединений. - М.: Металлургия, 1977. - 288 с; с.30-288.
4.
Лабораторная работа № 8
Контактная точечная сварка
Цель работы
Изучить конструкцию и принцип действия контактной машины, научиться выбирать по справочным материалам параметры режимов точечной сварки.
Оборудование, материалы: 1. Контактная машина типа МТР-1201 УХЛ; 2.Паспортные данные машины; 3. Материалы справочного характера; 4. Заготовки образцов из листовой холоднокатаной стали толщиной 0,5-2,5мм.
Основные теоретические представления
Все способы контактной сварки (точечная, шовная, стыковая) основаны на нагреве и пластической деформации заготовок в месте соединения. Нагрев осуществляется теплом, выделяемым при прохождении электрического тока через находящиеся в контакте соединяемые части.
Для получения качественного соединения металл вместе соединения нагревают до расплавления. Примыкающие к месту соединения зоны нагревают до температур, обеспечивающих требуемую пластическую деформацию заготовок. В процессе этой деформации происходит удаление окислов из места соединения, смятие неровностей, течение материала вдоль поверхностей соединения, образование чистых поверхностей, т.е. создаются условия для взаимопроникновения и образования единой кристаллической решетки соединяемых поверхностей.
Контактная сварка отличается высокой производительностью, экономичностью процесса, позволяет значительно проще механизировать и автоматизировать процессы изготовления деталей, сокращать расход основных вспомогательных материалов. Эти преимущества особенно заметно проявляются в массовом и крупносерийном производствах.
Недостатками процесса являются: громоздкость и сложность оборудования, малая стойкость электродов.
Заготовки соединяют сваркой в отдельных местах, условно называемыми точками. Размеры и структура точки, определяющие прочность соединения, зависят от силы сварочного тока, времени его протекания через заготовки, усиления сжатия заготовок электродами, формы и размеров контактной поверхности электродов, а также состояния поверхностей заготовок. Качественная сварка точки характеризуется наличием общего для обеих заготовок литого ядра (рис. 1. б) определенных размеров.
Последовательность операций точечной сварки следующая. Заготовки устанавливают и затем плотно сжимают между электродами контактной машины. Включают ток, и заготовки быстро нагреваются. Особенно быстро нагреваются участки металла, прилегающие к контакту между заготовками, так как эти участки имеют повышенное электрическое сопротивление. Кроме того, они менее подвержены охлаждающему действию электродов. В момент образования в зоне сварки расплавленного ядра заданных размеров ток выключают. После выключения тока заготовки кратковременно выдерживают между электродами под действием усилия сжатия, в результате чего происходит охлаждение зоны сварки, кристаллизация расплавленного металла и уменьшение усадочной раковины в ядре сварной точки.
Силу тока и усиление сжатия заготовок устанавливают постоянными, или меняют по определенному графику в течение цикла сварки одной точки. Характер их изменения
Точечная сварка, физическая сущность процесса (рис. 1)
Рис.1. Схема процесса точечной сварки:
а - схема процесса; б - сечение сварной точки; Р - давление; dm - диаметр литого ядра сварной точки; dk - диаметр сварной точки.
определяется и материалом свариваемых заготовок. Наиболее распространенные схемы циклов точечной сварки приведены в табл.1.
Точечной сваркой можно сваривать листовые заготовки одинаковой или разной толщины, пересекающиеся стержни, листовые заготовки со стержнями или профильными заготовками (уголками, швеллерами, таврами и т.п.), заготовки из разнородных металлов, из сталей различных мерок, а также из цветных металлов и их сплавов. Толщина каждой из заготовок может быть от сотых долей миллиметра до 30 мм.
В зависимости от числа свариваемых точек, способа подвода тока к заготовкам и других факторов применяют различные способы точечной сварки.
1.1. Свариваемость различных металлов и сплавов
Наиболее хорошую свариваемость при контактной сварке имеют стали и сплавы со следующими свойствами: высоким удельным электрическим сопротивлением и низкой теплопроводностью; высокой пластичностью в широком диапазоне температур; отсутствием или малой склонностью к нежелательным структурным превращениям в процессе нагрева и охлаждения зоны сварки; химической активностью при нагреве.
В наиболее полной мере этими свойствами обладают низкоуглеродистые стали, которые хорошо свариваются всеми способами контактной сварки, как на жестких, так и на мягких режимах без дополнительных технологических мер. Среднеуглеродистые и низколегированные стали склонны к закалке, трещинообразованию. Поэтому необходима термическая обработка всего изделия в печи или, что производительнее и экономичнее, сварка по двухполюсному циклу с термической обработкой зоны соединения непосредственно под электродами контактной машины (см. табл. 1).
Коррозионно-стойкие стали (например, 12Х18Н9Т) вследствие высокого удельного электрического сопротивления и низкой теплопроводности сваривают при относительно низких плотностях тока и малом времени сварки. В связи с повышенной прочностью при высоких температурах требуются повышенные усилия сжатия заготовок.
Алюминий и его сплавы обладают высокой электро- и теплопроводностью, поэтому для их сварки требуются большие токи при малом времени их протекания. Значительным препятствием для протекания тока является тугоплавкая пленка Al2O3 на поверхности заготовок.
Таблица 1
Схемы циклов точечной сварки
|
Вид сварки
|
Схема цикла
|
Свариваемый материал
|
Одноимпульсная при постоянном давлении
|
|
Низкоуглеродистая сталь толщиной до 3-4 мм
|
При постоянном давлении с последующей термической обработкой
|
|
Закаливающиеся стали
|
Многоимпульсная с переменным давлением
|
|
Сталь толщиной более 3-5 мм
|
С предварительным обжатием и последующей проковкой
|
|
Стали толщиной более 5 мм или металлы с повышенной жесткостью
|
Импульсом модулированного тока с проковкой
|
|
Сплавы алюминия толщиной более 1,5 мм
|
Обозначения: I – сила сварочного тока, А; P – усилие сжатия заготовок, Па; In – сила тока подогрева при термической обработке, А; t – время, с.
|
Титан и его сплавы отличаются низкой тепло- и электропроводностью, достаточно пластичны. Их сваривают при относительно низких плотностях тока. Усилия сжатия такие же, как при сварке низкоуглеродистых сталей.
1.2. Оборудование для контактной сварке
Согласно ГОСТ 297-80Е «Машины электросварочные контактные» машины точечной сварки имеют условное обозначение МТ и далее числовая часть, указывающая величину номинального сварочного тока в килоамперах (две, иногда три цифры), а вторые две - номер конструктивного исполнения машины.
Машины для точечной сварки подразделяют:
- по назначению - универсальные и специализированные;
- по характеру действия - автоматические и неавтоматические;
- по току - однофазные переменного тока промышленной частоты, низкочастотные конденсаторные, с выпрямлением тока в сварочной цепи;
- по приводу сжатия электродов - педальные, электромеханические, пневматические, пневмогидравлические, гидравлические;
- по установке и монтажу - стационарные и передвижные (подвесные), но направлению движения верхнего электрода - радиальные (по дуге окружности) и прямолинейные.
Тип машины, оказывающий большое влияние на качество сварочных точек, выбирают в зависимости от толщины и материала заготовок, их габаритов с учетом характера производства. Технические характеристики машин для точечной сварки приведены в таблицах 2-4. Все машины имеют пневматический привод сжатия электродов, укомплектованы теристорными или игнитронными контакторами и различного типа регуляторами цикла сварки.
Подвесные точечные машины (табл. 3) применяют для сварки крупногабаритных изделий, которые трудно перемещать относительно стационарных точечных машин. Конденсаторные машины используют при сварке легких сплавов и деталей малой толщины. На машинах постоянного тока можно сваривать детали из легких сплавов, коррозионно-стойких и жаропрочных сталей, титана и низкоуглеродистых сталей.
1.3. Аппаратура управления машинами
Производительность контактных машин, их технологические возможности, а также качество сварных соединений в значительной мере зависят от аппаратуры управления регуляторов цикла сварки, контакторов, синхронных прерывателей, фильтров-влагоотделителей, маслораспылителей, регуляторов давления и т.д.
Регуляторы цикла сварки (табл.5) обеспечивают определенную последовательность и регулирование продолжительности операций сварочного цикла.
Контакторы (табл.6) предназначены для включения и выключения тока первичных обмоток трансформаторов контактных машин. Наиболее экономичны и эффективны тиристорные контакторы.
Синхронные прерыватели (табл.7) предназначены для синхронного включения и выключения тока первичных обмоток трансформатора контактных машин, регулирования его величины и продолжительности. Управление работой пневматического и гидравлического приводов контактных машин осуществляют с помощью пневмо- и гидроаппаратуры.
1.4. Электроды контактных машин
Стойкость электродов, от которой в значительной мере зависят производительность сварки и качество сварных соединений, определяется материалом электродов, их конструкцией, условиями охлаждения, режимов сварки и чистотой поверхности свариваемых заготовок.
Материал электродов (табл.8) должен иметь высокие тепло- и электропроводность, температуру разупрочнения, а также достаточную прочность и твердость. Стойкость электродов, изготовленных из специальных сплавов меди, значительно выше медных.
Электроды для точечной сварки (сменные вставки), предназначенные для использования на серийных точечных машинах, приведены в таблице 9. Рекомендуемые размеры электродов для точечной и шовной сварки различных материалов даны в таблице 10.
2. Технология контактной сварки
2.1. Подготовка заготовок к сварке. Перед сваркой производят правку и взаимную подгонку заготовок, а так же очистку их поверхностей от окалины, ржавчины, смазки, пыли и других загрязнении.
Способ очистки выбирают в зависимости от размеров и материала заготовок, характера загрязнении и типа производства. Заготовки из горячекатаной стали очищают в дробеструйных установках, металлическими щетками, абразивными кругами. В массовом производстве их очищают травлением в растворе кислот с последующей нейтрализацией в щелочной ванне, промывкой проточной водой и сушкой горячим воздухом. Холоднокатаную низкоуглеродистую сталь (без окалины) сваривают без зачистки или перед сваркой промывают раствором каустической соды, горячей водой с последующей просушкой горячим воздухом.
|
