Образование и строение зоны термического влияния

Теплота, выделяемая сварочным источником нагрева, распространяется на прилегающие ко шву участки основного металла. При нагреве и последующем остывании в этих участках изменяются структура и свойства металла. Участок основного металла, подвергающийся в процессе сварки нагреву до температуры, при которой происходят видимые или невидимые структурные изменения, называют зоной термического влияния (околошовной зоной). Наряду с тепловым воздействием основной металл околошовной зоны, как правило, претерпевает и пластическую деформацию.

Температура нагрева различных участков зоны термического влияния находится в пределах от точки плавления металла (у шва) до начальной температуры основного металла. Строение и размеры зоны термического влияния зависят от химического состава и теп-лофизических характеристик свариваемого материала, а также от термического цикла сварки.

Зона термического влияния является обязательным спутником шва при всех видах электрической сварки плавлением. Ширина ее изменяется в достаточно широких пределах в зависимости от способа и режима сварки, состава и толщины основного металла и ряда других факторов. Меньшая ширина зоны относится к условиям сварки, характеризуемым большим перепадом температур.

На рис. 2-47 приведена схема строения зоны термического влияния при сварке однослойного стыкового шва на конструкционных сталях. Рассмотрим на этом примере структурные превращения в околошовной зоне. Первый участок зоны примыкает непосредственно к металлу шва. Основной металл на этом участке находится в твердо-жидком состоянии. Здесь и происходит собственно сварка, т. е. формирование кристаллитов шва на частично оплавленных зернах основного металла. Участок имеет небольшую ширину. По своему составу и структуре он отличается от соседнего участка основного металла. За время контакта жидкой и твердой фаз в нем протекают диффузионные процессы и развивается химическая неоднородность.

Совокупность первого участка околошовной зоны и пограничного участка металла шва именуют зоной сплавления или переходной зоной. Свойства переходной зоны оказывают подчас решающее влияние на работоспособность сварной конструкции. На этом участке часто образуются трещины, ножевая коррозия, усталостные разрушения при вибрационной нагрузке, хрупкие разрушения и т. п. Поэтому дальнейшее изучение свойств переходной зоны представляет первостепенный интерес. Ширина переходной зоны зависит от природы источника нагрева, теплофи-зических свойств, состава и толщины (до определенных пределов) основного металла, режима сварки и других факторов.

Второй участок околошовной зоны, получивший название участка перегрева (участка крупного зерна), включает металл, нагретый до температуры примерно 1200° С до температуры плавления. Металл на этом участке претерпевает аллотропические превращения. При нагреве сс-железо переходит в у-железо, причем в результате значительного перегрева происходит рост аусте-нитного зерна.

Характер вторичной структуры металла на этом участке зависит от его состава и термического цикла сварки. Например, при электрошлаковой сварке низкоуглеродистой стали образуется крупнозернистая видманштеттова структура. Обычно, особенно в тех случаях, когда перегрев сочетается с последующей закалкой, металл на втором участке околошовной зоны обладает худшими свойствами (меньшая пластичность, меньшая стойкость против перехода в хрупкое состояние), чем основной металл вне зоны термического влияния. Задача выбора рациональной технологии сварки сводится в первую очередь к обеспечению наименьшего ухудшения свойств металла на этом участке.

Третий участок околошовной зоны получил название участка перекристаллизации (нормализации). Он включает металл, приобретший в процессе нагрева полностью аустенитную структуру.

Четвертый участок околошовной зоны, получивший название участка неполной перекристаллизации, включает металл, нагретый от температуры, при которой во время нагрева начинаются аллотропические превращения (~720° С), до температуры около 880° С. Металл на этом участке подвергается только частичной перекристаллизации. Поэтому здесь наряду с зернами основного металла, не изменившимися в процессе сварки, присутствуют зерна, образовавшиеся при перекристаллизации. Изменения структуры металла на этом участке значительно меньше влияют на качество сварного соединения углеродистых конструкционных сталей, чем изменения, происходящие в первых трех участках.

На пятом участке околошовной зоны, именуемом участком старения при рекристаллизации, металл нагревается от температуры примерно 500° С до температуры несколько ниже температуры 720° С. Здесь происходит сращивание раздробленных при нагартовке (ковке, прокатке) зерен основного металла и некоторое разупрочнение его по сравнению с исходным состоянием. Снижение прочности наблюдается также при сварке основного металла, подвергшегося упрочняющей термообработке. На этом же участке околошовной зоны при сварке углеродистых конструкционных сталей с содержанием до 0,3% С при некоторых условиях наблюдается снижение пластичности и ударной вязкости и повышение прочности металла. Можно предположить, что это обусловливается старением после закалки и дисперсионным твердением.

Старение после закалки является результатом фиксирования в состоянии пересыщенного твердого раствора при быстром охлаждении металла от температуры 720° С до комнатной температуры примесей (углерода и азота) в количествах, соответствующих их максимальной растворимости при температуре 720° С. В процессе последующего вылеживания происходит распад пересыщенного твердого раствора и выделение избыточного количества углерода и азота в виде тонкодисперсных карбидов и нитридов, скапливающихся вокруг участков решетки.

Тонкодисперсные выделения и скопления атомов уменьшают величину пластической деформации, что приводит к повышению прочности и снижению пластичности металла. На практике следует учитывать возможное для стареющих металлов и сплавов понижение пластичности на этом участке околошовной зоны. Уменьшение пластичности при некоторых условиях может стать Причиной снижения работоспособности конструкции. Следует учитывать также некоторое разупрочнение металла, если он до сварки был подвергнут упрочняющей термической или механической (наклеп) обработке.

Далее расположен участок, нагретый от температуры около 100° С до температуры 500° С. Этот участок в процессе сварки не претерпевает видимых структурных изменений. Однако при сварке низкоуглеродистых сталей, содержащих повышенное количество газов, на узком участке, нагретом до температуры 100—300° С (рис. 2-47, участок 6), наблюдается резкое падение ударной вязкости; оно вызвано, вероятно, старением металла после холодной деформации. Так как этот участок расположен вне зоны концентрации напряжений, наличие его в большинстве случаев не представляет непосредственной опасности для работоспособности конструкции.

Выше была описана схема строения зоны термического влияния при однопроходной сварке конструкционных сталей. При сварке других металлов и сплавов характер структур в околошовной зоне может быть другим.

При многопроходных швах строение околошовной зоны другое. При сварке длинными участками, когда ко времени формирования последующего прохода металл успел остыть до температуры окружающей среды, различие проявляется в менее четком строении околошовной зоны по всему сечению, кроме участка, расположенного у последнего слоя. Это обусловлено повторным термическим воздействием источника нагрева при наложении последующего слоя. При сварке короткими участками околошовная зона длительное время находится при малоизменяющейся температуре, что приводит к замедленному ее остыванию и соответствующему изменению ширины и строения.

При многопроходной сварке околошовная зона размещается не только в основном металле (см. рис. 2-44), но и в металле шва (рис. 2-48). Строение околошовной зоны, расположенной в пределах металла шва, значительно отличается от строения ее при расположении в основном металле, В этом случае в интервале первых трех участков в подавляющем большинстве случаев наблюдается образование мелкозернистых, обладающих повышенной пластичностью структур. Зона крупного зерна вообще отсутствует, что, по-видимому, связано с наличием между столбчатыми кристаллитами прослоек, препятствующих дальнейшему их росту.

Под влиянием теплового и деформационного воздействия сварочного процесса может наблюдаться ухудшение свойств металла зоны термического влияния по сравнению со свойствами основного металла. Принятый технологический процесс сварки должен обеспечивать по возможности оптимальные условия формирования этой зоны и получение необходимого и достаточного качества металла на этом участке, от которого в значительной мере зависит работоспособность сварных конструкций.