Анализ и совершенствование технологии ручной дуговой сварки неповоротных кольцевых стыков магистральных трубопроводов

где D_ж – коэффициент диффузии примеси в жидкости, v_кр – скорость кристаллизации.

Концентрационное  переохлаждение 4 характеризуется протяженностью зоны b, максимальным значением ΔT_max и расстоянием m от фронта кристаллизации до участка максимального переохлаждения и возрастает с понижением градиента фактических температур T_ф= , а также с увеличением концентрации примеси перед фронтом кристаллизации. Концентрация примеси будет возрастать с увеличением скорости кристаллизации. Таким образом, в случае сварки концентрационное переохлаждение металла шва будет определяться режимом сварки (градиентом температур и скоростью кристаллизации, зависящих от скорости сварки), условиями теплоотвода из сварочной ванны, составом сплава и его теплофизическими свойствами.

Влияние скорости кристаллизации и градиента температур на концентрационное переохлаждение обобщает критерий концентрационного переохлаждения:

Φ =

Рассмотрим типы первичной структуры  при кристаллизации. Под первичной  структурой (субструктурой) понимают структуру  металла, образующуюся при первичной кристаллизации, т.е. при переходе металла из жидкого состояния в твердое. вторичная структура образуется в результате физико-химических процессов и структурных превращений в твердом состоянии. Тип первичной микроструктуры сплава зависит от формы роста кристаллов, определяемой видом фронта кристаллизации и характером концентрационного переохлаждения перед этим фронтом. Рассмотрим три возможных случая кристаллизации сплава (рис. 24) при различной протяженности зоны концентрационного переохлаждения b₁, b₂, b₃, вызванной различными распределениями температуры в жидкой фазе Т_ф1, Т_ф2, Т_ф3 (критерии концентрационного переохлаждения, соответственно Ф₁, Ф₂, Ф₃). Условием, определяющим характер роста кристалла и тип первичной структуры, будет отношение двух параметров: Ф и АС₀/k (А – экспериментально определяемая постоянная для данного С₀, зависящая от теплофизических свойств, k – коэффициент распределения примеси).

 При малой протяженности зоны  концентрационного переохлаждения (b₁) Ф₁>АС₀/k. В этом случае будет образовываться ячеистая первичная структура (рис. 25, а). Она состоит из ряда параллельных элементов, имеющих форму стержней и ориентированных в сторону кристаллизации. Стержни в поперечном сечении имеют форму шестиугольников. Верхняя свободная поверхность кристаллов, обладающих такой структурой, волнистая.

При средней протяженности зоны b₂, когда Ф₂ АС₀/k, образуется ячеисто-дендритная первичная структура (рис. 25, б). Отдельная ячейка, оказавшись впереди своих соседей, начинает расти и развиваться быстрее. По мере развития этого процесса выступ превращается в иглу, на игле образуются ветви, а они, в свою очередь, служат основой для следующих ветвей. Таким образом, образовавшаяся структура является ветвистой.

Если протяженность  зоны концентрационного переохлаждения b₃ достаточно велика и переохлаждение больше некоторой критической величины, при которой еще происходит образование ячеистой структуры, то на всех ячейках начинают образовываться ветви, и они превращаются в дендриты (рис. 25, в). Условием образования дендритной первичной структуры будет неравенство Ф₃<АС₀/k. Дендриты сплавов имеют субструктуру, напоминающую ячеистую. Образование такой структуры на дендритах, растущих в расплаве, имеющем примеси, связано с тем, что растущая ветвь дендрита отталкивает атомы примеси так же, как и фронт кристаллизации. Скопление примесей и концентрационное переохлаждение приводят к образованию ячеек на ветвях дендритов. С увеличением переохлаждения размеры дендритов и их разветвленность возрастают.

Таким образом, вероятность образования  разветвленной дендритной структуры повышается с уменьшением градиента температуры T_ф в жидкости перед фронтом кристаллизации, с увеличением скорости кристаллизации v_кр и содержания примесей С₀, а также с уменьшением коэффициента распределения примеси k.

1.3.3.2.3 Особенности кристаллизации  и формирования первичной структуры  металла шва

Если мгновенно прекратить сварку и создать условия для предотвращения растекания головной части ванны, то характер кристаллизации будет иметь  вид, показанный на рис. 26. Рост кристаллов начинается с закристаллизовавшейся поверхности металла шва. Кристаллы из хвостовой части ванны вытягиваются вдоль оси шва, они имеют большую протяженность. Кристаллы с боковых поверхностей, растущие с кромок в задней части ванны, составляют с осью ванны определенный угол (рис. 26, а). Размеры кристаллов, растущих с боковых поверхностей, и угол, который они составляют с осью шва, зависят от многих факторов – толщины и массы свариваемого металла, его теплофизических свойств, скорости сварки, силы сварочного тока, технологии сварки (например, числа сварочных дуг) и др. При сварке по разделке перегрев и оплавление металла, находящегося на кромках приводит к тому, что с жидким металлом ванны соприкасаются оплавленные зерна основного металла. Эти зерна, выросшие на границе сплавления, служат основой для кристаллизации металла сварочной ванны – гетерогенной кристаллизации. На оплавленной поверхности зародышами кристаллизации могут стать также не успевшие расплавиться и раствориться карбиды тугоплавких элементов и неметаллические включения. Столбчатые кристаллы сварочной ванны растут от кромок и имеют вид дендритов различной величины.

При сравнительно малой продолжительности  существования сварочной ванны (малый  объем ванны, повышенная скорость сварки и др.) столбчатые кристаллы могут расти до встречи в области центральной линии шва (при рассмотрении поперечного сечения шва, рис. 26, б). При большой ванне и ее медленной кристаллизации в центральной части ванны образуется небольшая зона равновесных кристаллов, возникших в условиях естественной кристаллизации. При сварке на охлаждаемой металлической подкладке, на этой подкладке кристаллизуется тонкий слой мелких разориентированных кристаллов, становящихся зародышами для растущих на них столбчатых кристаллов. При многослойной сварке кристаллы каждого предыдущего слоя становятся основой для кристаллизации последующих слоев (рис. 26, в). Однако при многослойной сварке скорость охлаждения каждого слоя обычно больше скорости охлаждения ванны при однопроходной сварке металла такой же толщины, поэтому кристаллическое строение отдельных слоев и всего шва в целом оказывается более мелким и плотным, с менее выраженной ликвацией примесей по зонам (дендритная ликвация – различие в содержании примесей в металле осей дендритов и межосных участков).

1.3.3.2.4 Химическая неоднородность  сварного соединения и ее виды

 Говоря о ликвации примесей, необходимо упомянуть еще об  одном явлении – прерывности  кристаллизации и ликвации примесей  по слоям кристаллизации. Замечено, что рост кристаллов идет не непрерывно, а с периодическими остановками. Явление это связывается с тепловыми эффектами (выделением теплоты) при переходе из жидкого состояния в твердое и другими обстоятельствами. При таком прерывистом росте слоев сначала застывает наиболее чистый металл, а затем металл с большим содержанием примесей. Подобная неоднородность может привести как к снижению прочностных характеристик, так и ухудшению показателей свариваемости.

В сварных швах различают следующие  виды неоднородности

1) внутрикристаллитную;

2) межкристаллитную;

3) неоднородность в зоне сплавления;

4) зернограничную;

5) внутризеренную.

Последние два вида относятся  к деформированному и рекристаллизованному металлу (главным образом, к металлу  околошовной зоны).

Внутрикристаллитная неоднородность проявляется как различное содержание примесей в последовательно кристаллизующихся точках кристаллита (точки 1, 2, 3, 4 на рис. 27). Степень неоднородности такого вида может быть различна и определяется условиями кристаллизации сварного шва. Для практики наибольший интерес представляет распределение примесей в последней стадии кристаллизации, т.к. именно это определяет температуру неравновесного солидуса и такие важные технологические характеристики, как температурный интервал хрупкости (ТИХ) и пластичность металла шва в процессе кристаллизации. Выяснено, что с уменьшением равновесного коэффициента распределения k₀ степень неоднородности увеличивается.

Межкристаллитная химическая неоднородность определяется как отношение концентраций примеси в пограничной зоне и в центре кристаллита (С₅/С₂). При ячеистом и дендритном типе кристаллизации в результате прямого и бокового роста выступов примеси оттесняются в межячеистые или междендритные пространства. Таким образом, большая часть примесей захватывается боковыми гранями или ветвями.

Рекристаллизационные  процессы, происходящие при сварке в околошовной зоне, как правило, сопровождаются перераспределением примесей, что иногда приводит к химической неоднородности, особенно на границе  с жидким металлом, в зоне полуоплавленных зерен. Процессы, связанные с перераспределением примесей в твердом состоянии, в отличие от ликвационных, чаще называют сегрегационными, а образующиеся места скопления примесей – сегрегациями. В случае, если концентрация примеси на границе зерна превышает предел растворимости, возможно образование в пограничной зоне легкоплавких эвтектических фаз или даже химических соединений.

Внутризеренную  химическую неоднородность обычно связывают  с наличием внутри зерна инородных  частиц – карбидов, интерметаллидов, фазовых включений. При воздействии сварочного цикла они могут не раствориться вследствие небольшого времени нахождения при высоких температурах и остаться в зоне термического влияния (ЗТВ). Кроме того, в процессе охлаждения из твердых растворов могут выпадать инородные фазы, которые приводят к увеличению внутризеренной химической неоднородности. Наиболее вероятное место расположения этих включений – зоны упругого искажения кристаллических решеток и места скопления дефектов физического строения, т.к. эти зоны обладают повышенным уровнем потенциальной энергии, а сосредоточение в них примесей приводит к снижению внутренней энергии и повышению степени равновесности всей системы.

Химическая  неоднородность сварного шва может  быть следствием недостаточной технологической культуры выполнения работ или самой физической природы процесса формирования сварного соединения и свойств свариваемого металла. В первом случае, как правило, существует макронеоднородность химического состава по длине шва или в отдельных его объемах, вызванная колебаниями в составе свариваемых материалов – покрытии, флюсе, – а также нестабильностью режима и технологическими нарушениями.

Зональная или линейная кристаллизация свойственна  процессу кристаллизации с линейными  фронтами. При сварке зональная ликвация проявляется весьма слабо и только при малой скорости охлаждения (например, сварка с предварительным подогревом). Наиболее вероятное место появления зональной ликвации – ось шва, продольные границы, образованные встречей фронтов кристаллизации. Зональная ликвация может существенно ослаблять ось шва и вызывает ряд нежелательных эффектов, в частности понижает пластические и прочностные характеристики металла шва.

Межкристаллитная, или межзеренная ликвация характеризуется  скоплением примесей у межзеренных границ и проявляется в случае концентрационного переохлаждения. Концентрационное уплотнение, вызывая ячеистую кристаллизацию, одновременно приводит и к появлению ячеистой ликвации, которая может быть весьма значительной (концентрация примеси может измениться в 10 и более раз). Особенно сильно явление ликвации выражено в случае ячеисто-дендритных и дендритных структур при продвижении фронта кристаллизации в направлении затвердевания: размер дендритов увеличивается, количество жидкости в междендритном пространстве уменьшается, а концентрация примеси в ней вырастает настолько, что может достигнуть эвтектического состава. В этом случае в междендритном пространстве могут образовываться равноосные зерна эвтектики.

Внутрикристаллитная ликвация обусловлена различной растворимостью примесей в твердой и жидкой фазах. Чем больше коэффициент распределения k₀ будет отличаться от единицы, тем сильнее будет различаться состав кристаллитов, затвердевающих первыми, от последующих.

Рассмотренные ранее процессы возникновения химической неоднородности характерны, в основном, для малой скорости охлаждения или применительно к сварке с мягким режимом. Скорость охлаждения металла шва при сварке с большим значением погонной энергии q/v обуславливает достаточно интенсивное протекание диффузионных процессов, что приводит к выравниванию состава и снижает внутрикристаллическую ликвацию. При увеличении скорости охлаждения диффузионные процессы пройти не успевают, и степень внутрикристаллической ликвации увеличивается вплоть до максимума. Дальнейшее увеличение скорости охлаждения еще больше подавляет диффузионные процессы, однако степень внутрикристаллической ликвации уменьшается вследствие изменения самого характера кристаллизации, приближающем его к бездиффузионному процессу.

1.3.3.2.5 Характер изменения прочности  и пластичности металлов и  сплавов в области высоких  температур при сварке

Механические характеристики сварного соединения – прочность и пластичность – в период его формирования определяют вероятность получения бездефектного соединения в той же степени, в какой прочностные и эксплуатационные характеристики – степень надежности работы конструкции. На рис. 28 показаны типичные кривые, характеризующие  изменение прочности σ и пластичности П сплавов при высоких температурах. В области нагрева до температур, близких к температуре равновесного солидуса (Тс) прочность и пластичность сплавов резко падают. Пластичность остается на весьма низком уровне в некотором интервале температур, а затем опять повышается. Объяснение такого неоднозначного явления в следующем. Исследуемый металл (сплав), нагретый до расплавления, охлаждается, и, начиная с температуры Т_л , в нем образуются зародыши твердой фазы. До тех пор, пока количество твердой фазы невелико, металл находится в жидкотвердом состоянии (рис. 29, а), и пластичность расплава практически не отличается от пластичности жидкости, т.к. кристаллы металла свободно плавают в жидкости, не ограничивая ее способности перетекать и занимать любую форму. Прочность такого жидкотвердого агрегата практически равна нулю. Начиная с некоторой температуры, называемой температурой верхней границы интервала хрупкости (Т_в.г.) металл переходит в стадию твердожидкого состояния, характеризующуюся таким увеличением количества твердой фазы, при котором возможность жидкости перетекать между затвердевшими зернами резко уменьшается (рис. 29, б). При деформировании происходит заклинивание зерен, и дальнейший процесс становится возможным только в случае пластического деформирования самих зерен либо смещения их относительно друг друга. Обычно оба этих процесса протекают одновременно. Деформация такого двухфазного агрегата при условии сохранения сплошности в направлении действия сил Р возможна только при смятии отдельных точек контакта зерен, поворота прилегающих зерен и их деформации. В ранней стадии такого деформирования не исключена возможность перетекания жидкости в межзеренное пространство. В случае если циркуляция жидкости между зернами нарушена, необходимо, чтобы существующие между ними жидкие прослойки сами воспринимали растягивающие напряжения. Вероятность такого явления в данной стадии затвердевания велика, т.к. сопротивление разрушению малых объемов жидкости может быть весьма значительным. Оно зависит от поверхностного натяжения, температуры и вязкости жидкости. Однако прочность закристаллизовавшейся твердой фазы в этот период намного больше, поэтому разрушение, если оно наступает, происходит по границам зерен, т.е. имеет межкристаллический характер. Пластичность металла, находящегося на такой стадии затвердевания, очень мала – доли процента. В то же время сопротивление пластическим деформациям с момента возникновения явления заклинивания зерен и ограничения циркуляции жидкой фазы начинает возрастать. Если значение деформации металла, находящегося в таком состоянии, превысит его деформационную способность, произойдет хрупкое разрушение по жидким прослойкам. С дальнейшим снижением температуры возрастает объемная прочность жидкости, уменьшается ее объем, увеличивается число контактов между зернами. Одновременно с этим повышается и прочность самих границ зерен. При некоторой температуре границы упрочняются настолько, что разрушение начинает происходить не по ним, а по телу самих зерен (точка А рис. 28). Эта температура названа эквикохезивной. При этом пластические свойства металла возрастают, т.к. деформация уже не концентрируется по малым прослойкам вокруг зерен, а воспринимается всем агрегатом в достаточной степени равномерно. Температура резкого возрастания пластических свойств находится ниже температуры равновесного солидуса и называется нижней границей интервала хрупкости (Т_н.г.). Интервал температур, заключенной между верхней и нижней границами хрупкого состояния металла называется температурным интервалом хрупкости (ТИХ).