Связь процессов при кристаллизации и термической обработке со свариваемостью

ГЛАВА 6 СВЯЗЬ ПРОЦЕССОВ ПРИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ И ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ СО СВАРИВАЕМОСТЬЮ     

Одним из важнейших свойств металлических материалов является их свариваемость, так как подавляющее большинство конструкций изготавливается с помощью сварки. При сварке плавлением в результате действия источника тепла, например, электрической дуги, образуется зона расплавленного металла - сварочная зона, которая при затвердевании обеспечивает создание металлической связи с нерасплавленными зонами свариваемых элементов. Структура сварного соединения подробно рассмотрена в [190]. Различают три ее разновидности, отличающиеся способами образования и развития, формой и степенью равновесности [191].

Кристаллизация при сварке отличается от кристаллизации при литье наличием готовых центров кристаллизации в основном металле. Число центров кристаллизации можно изменить, подготовив соответственно металл перед сваркой. Крупнозернистость и мелкозернистость основного металла во многом предопределяют величину зерна в сварном шве. Благодаря наличию готовых центров кристаллизации, затвердевание начинается от кромок основного металла. Последовательная кристаллизация в сварочной ванне встречается во многих случаях сварки плавлением. Во многих теориях предполагается, что центры кристаллизации возникают спонтанно или на нерастворимых примесях. Поэтому в рекомендациях о модифицировании различных сплавов главное внимание уделяется влиянию элементов и примесей на параметры кристаллизации.

Наблюдения авторов [191] за процессами расплавления при нагреве деформированных сплавов привели к выводу о том, что формирование зерен может происходить не только путем появления объемного зародыша и его роста с образованием границ по местам стыка отдельно растущих зерен, но и путем зарождения центров плавления (границ зерен) и их линейного роста с перестройкой структуры внутри зерен. Такой механизм формирования (но не роста) зерен в основном металле рядом со швом дает ключ к объяснению природы многих случаев околошовных кристаллизационных трещин и нахождению путей их предотвращения.

Горячие трещины [192] образуются при температуре вблизи солидуса диаграммы состояния, а холодные - на конечном этапе охлаждения. В работе [193] показано, что кристаллизационные трещины возникают в результате отделения закристаллизовавшихся частей по прослойкам еще не застывшей части сплава, имеющей более низкую температуру плавления.

Увеличение интервала кристаллизации ведет к повышению склонности сплава к трещинообразованию.

Пря сварке двойных сплавов, склонных к трещинообразованию (Аl - Сu, Аl - Si), рекомендуют применять присадочный материал, содержащий большее количество легирующего элемента, чем сплав. В этом случае, наряду с понижением температуры начала кристаллизации металла шва, уменьшается и склонность металла шва к трещинообразованию.

Кроме трещин в металле шва при сварке алюминиевых сплавов часто возникают трещины в зоне термического влияния. Различают три вида трещин, которые образуются при разных температурах [194].

1. Трещины, возникающие при высоких температурах (около температуры солидуса для данного состава сплава).

2. Трещины, возникающие при более низких температурах  (когда сплав полностью застыл) в результате воздействия водорода. Водород, выделяясь из раствора, собирается под большим давлением в зоне термического влияния. Проникая в межкристаллитные несплошности, он способствует разъединению зерен, что и является процессом образования трещин.

3. Трещины, образующиеся в околошовной зоне при температуре 200°С, появление которых наблюдалось некоторыми исследователями и объяснялось неравномерностью химического состава в пределах одного зерна. Обычно такие трещины имеют весьма небольшие размеры.

Уменьшению трещинообразования в зоне термического влияния способствуют малые добавки   меди,  ниобия,  хрома,  титана,  кремния, циркония. Поэтому сложные сплавы менее склонны к трещинообразованию, чем двойные.

Помимо кристаллизационных трещин в сварном шве часто обнаруживается пористость, природа которой - газовыделение из жидкости в процессе кристаллизации. Насыщение газом металла жидкой ванны может осуществляться [195]:

- за счет диффузии из зоны термического влияния сварного шва и основного металла;

- из атмосферы дугового пространства;

- из влаги на поверхности свариваемых и присадочного металлов, атмосферы (внешней и защитной), флюсов и пр.

Особенности сварочного процесса, характеризуемые высокой температурой источника тепла (дуги) и наличием электрического поля, способствуют растворению газов в значительно больших количествах, чем это наблюдается при литейных операциях. Так, например, установлено, что пересыщение металла шва водородом по сравнению с равновесной растворимостью при дуговой сварке достигает для железа 1,4; для никеля 1,3; для меди 3,7; для алюминия 5,4. Дегазация сварочной ванны вследствие всплытия пузырьков газа малоэффективна, так как выделение водорода из раствора и его молизация происходят на близких к кристаллизации стадиях, когда они уже не могут всплыть [196].