Влияние термодеформационных процессов на свойства металла зоны сварки

Металл в процессе сварки подвергается термодеформационному воздействию, оказывающему влияние на структуру и свойства металла ядра и околошовной зоны.

Начало кристаллизации жидкого металла зависит от формы импульса тока. При сварке импульсом переменного тока или униполярным импульсом с резким спадом кристаллизация обычно начинается с момента выключения тока. Лишь при сварке на некоторых конденсаторных машинах с относительно плавным спадом тока плавление металла может продолжаться и на спадающей части импульса. Высокая интенсивность отвода теплоты при охлаждении увеличивает вероятность переохлаждения, и кристаллизация происходит с очень большой скоростью.

В большинстве случаев (стали, никелевые, титановые сплавы) структура литого ядра представляется в виде дендритов, растущих на базе полуоплавленных зерен основного металла. Оси этих дендритов в центральной зоне ядра совпадают с осью электродов, т. е. с направлением максимального градиента температур и наибольшего отвода теплоты (рис. 2.21).

Жидкий металл ядра хорошо смачивает поверхность полуоплавленных зерен, что создает благоприятные условия для гетерогенного зарождения кристаллов. Для ряда легких сплавов, отличающихся широким интервалом кристаллизации, например АМгб, Д16 (интервал кристаллизации соответственно 70 и 130 °С), кроме участка дендритной структуры, отмечается наличие протяженной зоны равноосных кристаллов. Появление этой зоны объясняется большой склонностью указанных сплавов к концентрационному переохлаждению.

При больших скоростях охлаждения, характерных для контактной сварки, увеличивается вероятность переохлаждения жидкого металла. Например, на магниевых сплавах (МА2−1) направленная кристаллизация на базе полуоплавленных зерен основного металла полностью подавлена, и в ядре образуются равноосные зерна. При сварке сталей и титановых сплавов структура ядра представляется в виде крупных дендритов первого порядка, оси которых совпадают с осью z — направлением наибольшего теплоотвода.

Рис. 2.21. Структура ядра и околошовной зоны при сварке низкоуглеродистых сталей:

/ — ядро с участками дендритной структуры и зоной равноосных кристаллов;

• 2 — зона частичного оплавления границ зерен; 3 — зона перегрева;
• 4 — зона закалки; 5 — зона частичной закалки;
• 6 — зона отпуска и рекристаллизации

Для алюминиевых сплавов характерно наличие двух зон: дендритная структура на периферии ядра и в центре его протяженная область равноосных зерен. При больших скоростях охлаждения усиливаются процессы ликвации. Содержание легирующих элементов увеличивается от основания к вершине дендритов (внутридендритная ликвация). Отдельные кристаллы окружены сеткой интерметаллидов и эвтектик (междендритная ликвация). При точечной и шовной сварке проявляется и зональная ликвация, например зона равноосных кристаллов при сварке Д16Т оказывается обогащенной медью.

Литой металл ядра отличается низкой пластичностью, особенно при соединении металлов, чувствительных к термическому циклу, например высокопрочных конструкционных сталей. Зоны, в которых отмечается развитие ликвационных процессов, также характеризуются повышенной хрупкостью. Неравномерность состава шва с трудом выравнивается даже при последующей термообработке.

В околошовной зоне наблюдаются изменения исходной структуры и свойств металла вследствие закалки, оплавления легкоплавких эвтектик по границам зерен, отпуска, частичного отжига, снятия нагартовки, рекристаллизации и т. п. Таким образом, в результате неравномерного нагрева в околошовной зоне отмечается широкая гамма структур при относительно малой ширине зоны термического влияния.