Механизм образования сварного соединения в твёрдой и жидкой фазе.

В общем случае схема образования сварного соединения в твердой фазе между двумя металлами с идеально чистыми и гладкими поверхностями показана на рис. 1.1. Соединение таких идеализированных металлов в одно целое происходит при сближении их поверхностей на расстояние, равное или близкое межатомному расстоянию в кристаллической решетке, так называемому, параметру решетки, равному (3 - 5)^-10 м. При этом между возбужденными атомами, находящимися на соединяемых поверхностях, устанавливаются межатомные связи, т.е. происходит образование сварного соединения.

Только когда сближение произойдет на расстояния, равные параметру кристаллической решетки, возникнут условия для взаимодействия электронных полей со снижением уровня энергии до характерного для решетки каждого из монокристаллов. Поэтому возможность осуществления сваривания металлов посредством сопряжения их твердых поверхностей на основе работ М. И. Шоршорова и Ю. Л. Красулина можно рассматривать как топохимическую реакцию, которая характеризуется двумя стадиями образования прочных межчастичных связей: а) развитие физического контакта (сближение на расстояние, требуемое для установления взаимодействия); б) энергетическое взаимодействие, заканчивающееся образованием соединения.

Рисунок 1.1 - Схема образования сварного соединения в твердой фазе (без расплавления металла): a - части металла до соединения; б - то же, после соединения; 1 - атомы; 2 - условная граница раздела соединяемых частей

Образование сварного соединения может быть достигнуто также путем совместного использования как механической, так и термической энергии, т.е. совместного использования давления и нагрева. Рассмотренная физическая модель сваривания, даже однородных монокристаллов требует активации поверхностей, особенно при практически всегда находящихся на них тех или иных загрязнений. Такая энергия активации в общем случае может сообщаться в виде теплоты (повышения температуры - термическая активация), упругопластической деформации, вызывающей выход большего количества несовершенств, дислокаций на соединяемые поверхности (механическая активация), электронного или ионного облучения (радиационная активация). Наиболее обычными при сварке являются использование нагрева и деформирования.

При этом применение нагрева до определенных температур уменьшает сопротивляемость металла деформированию, ускоряет диффузионные процессы и способствует перекристаллизации, в частности собирательной рекристаллизации. В связи с этим повышение температуры способствует всем тем процессам, которые могут обеспечить получение надежного сварного соединения как для монокристаллов, так и для поликристаллических тел.

Для разных металлов взаимосвязь между рассмотренными технологическими параметрами (давлением и температурой) процесса сварки является различной.

Образование сварного соединения может быть достигнуто и без применения усилия с использованием качественно другой формы энергии - термической. Применение термической энергии вызывает нагрев и расплавление металла в зоне сварки с образованием общей сварочной ванны. В результате происходит исчезновение границ раздела между соединяемыми частями и появление при охлаждении межатомной связи, приводящей к получению неразъемного соединения - сварке (рис. 1.2).

Схематически сварку плавлением можно представить следующим образом. Торцы или часть сопрягаемых поверхностейи прилегающие к ним объемы двух кусков однородного металла расплавлены каким-то источником тепла. Тогда жидкий металл (заштрихованная зона) находится между нерасплавленными частями кромок металла, как в сосуде. При этом частицы жидкости приближаются к частицам стенок сосуда максимально близко вследствие смачивания в соответствии с условиями устанавливающегося энергетического поля их взаимодействия. Жидкий металл растекается по активированной нагревом поверхности твердых стенок и обеспечивает установление соприкосновения и связи (адгезия).

Если после этого источник тепла убрать (удалить), то в результате охлаждения жидкий металл затвердевает, кристаллизуется, причем в первую очередь вблизи стенок, отводящих тепло. При этом процессе затвердевания между твердым металлом и закристаллизовывающимся слоем жидкого металла устанавливаются обычные металлические связи. Такая кристаллизация жидкого металла, однородного с подплавленными стенками сосуда, приводит к образова­нию общих кристаллитов, пересекающих начальную границу нерасплавлявшегося и расплавлявшегося металлов. Кроме того, взаимодействие твердого и жидкого металлов, а также взаимодействие твердого и затвердевшего металлов при высоких температурах характеризуются протеканием процессов взаимодиффузии.

После окончания затвердевания жидкого металла образуется монолитный, соединенный из первоначальных кусков металла, элемент. Такое сварное соединение получается без какого-либо внешнего приложения давления. Аналогичные соединения могут быть получены, если торцы имеют зазор той или иной формы, который в процессе сварки заполняется жидким металлом, подобным свариваемому. При этом обязательно расплавление (оплавление) свариваемых торцов, чтобы получить общую сварочную ванну расплавленного металла.

Рисунок 1.2 - Схема образования сварного соединения через жидкую фазу (с расплавлением металла): а - части металла до соединения; б - то же после соединения; 1 - атомы твердого металла; 2 - атомы жидкого металла; 3 -граница раздела фаз

Таким образом, по ГОСТ 2601-84 сварка - получение неразъемных соединений посредством установления межатомных связей между соединяемыми частями при их нагревании и (или) пластическом деформировании.

Принципиальный технологический процесс сварки плавлением высоколегированных хромоникелевых коррозионностойких сталей (на примере ручной дуговой сварки покрытыми металлическими электродами).

Высоколегированные хромоникелевые стали представляют собой железоуглеродистые сплавы, содержащие в качестве главных легирующих элементов хром 10-27% и никель 4-26%. В сталях присутствуют также молибден, титан, ванадий, ниобий, кремний и другие присадки. Соответствующее сочетание легирующих элементов придаст хромоникелевым сталям специальные, часто присущие только им, служебные свойства. Оборудование, изготовленное из коррозионностойкой, жаростойкой и жаропрочной стали способно работать под давлением при температуре от минус 196 до плюс 600°С, а при наличии агрессивных сред - до температуры 350°С; жаростойкую и жаропрочную сталь применяют в установках, работающих в окислительных газовых средах при температуре до 1000°С; из жаропрочной стали изготавливают силовые детали, длительно работающие при температуре до 650°С; сварные конструкции и детали, изготовленные из коррозионносгойкой, могут длительно работать в средах повышенной aгрессивности при температуре до 600°С, а также в условиях действия кипящей фосфорной, серной и 10%-й уксусной кислот. Абсолютное большинство хромоникелевых сталей можно отнести к аустенитному классу, аустенитно-ферритному и аустенитно-мартенситному.

Хромоникелсвые стали в целом обладают более высокими технологическими характеристиками но сравнению с высокохромистыми сталями. Их отличают заметно лучшая свариваемость при сварке плавлением, поэтому многие из них широко применяются в конструкциях, изготавливаемых с использованием ручной душной сварки.

Особенности сварки хромоникелевых сталей обусловлены их физическими свойствами (низкой теплопроводностью и высоким коэффициентом линейного расширения), специфическим химическим составом и структурно-фазовым состоянием, изменяющимся под воздействием проходящих при сварке термических процессов. Хромоникелевые стали склонны к образованию горячих трещин в сварных соединениях и к ухудшению стойкости против межкристаллитной коррозии и других свойств.

Горячие трещины возникают, в основном, при сварке сталей аустенитного класса. Они могут появляться в металле шва и зоне термического влияния. Повышенная по сравнению с конст­рукционными низколегированными сталями склонность к образованию горячих трещин в металле шва обязана совместному действию трех факторов: возникновению значительных растягивающих напряжений, вызванных низкой теплопроводностью стали и увеличенной литейной усадкой затвердевающего металла; получением в металле шва однофазной крупнокристаллической столбчатой структуры с протяженными и непрерывными межкристаллитными (межзеренными) границами, обогащенными содержащимися в сталях примесями; загрязнением межзеренных границ элементами, способными образовывать легкоплавкие эвтектики. Такими элементами являются фосфор и сера. Под влиянием растягивающих напряжений в легкоплавких прослойках между зернами возникают надрывы, переходящие в трещину, способную «расколоть» все сечение шва, проходя по непрерывной межзеренной границе.

Обладая высокой коррозионной стойкостью, хромоникелевые аустенитные стали могут быть подвергнуты при нахождении в коррозионной среде опасному виду разрушения - межкристалитной коррозии (МКК), связанной со структурными изменениями, проходящими в сталях при нагреве до некоторых критических температур. МКК может развиваться на трех участках соединения: на уча­стке зоны термического влияния. Нагреваемом при сварке до температур 500-900°С, в сварном шве, на узком участке околошовной области, нагреваемом до температур свыше 1200-1300Х (ножевая коррозия). Коррозионное разрушение границ зерен (кристаллов) обусловлено их электрохимической неоднородностью, возникающей вследствие выделения из пересыщенного раствора аустенита при нагреве до критических температур избыточных фаз. Такими фазами при содержании в аустените более 0,02-0,03% углерода являются карбиды находящихся в стали элементов - хрома, ниобия, титана и др. Наиболее опасным представляется выделение карбидов (с возможным выделением и других фаз) по границам зерен в виде протяженных цепочек. В этом случае разрушение металла фактически происходит по всему периметру зерна.

Нагрев стали при сварке до температуры 500-900°С приводит к преимущественному выделению по границам зерен карбидов на базе хрома. Это, а также обеднение в этом случае хромом приграничных областей зерна резко повышает при последующей работе сварного соединения в агрессивной среде скорость МКК. Для борьбы с этим явлением в аустенитные стали вводят элементы-стабилизаторы, которые предотвращают выделение карбидов хрома при нахождении стали в области критических температур. Такими элементами являются титан или ниобий. Поскольку подобное выделение карбидов хрома может иметь место и в металле шва, например, в случае его повторного нагрева при двусторонней сварке, при возобновлении сварки после смены электрода и т.п. сварочную ванну тоже дополнительно легируют титаном или ниобием. Из Других металлургических мер, направленных на снижение МКК, связанных с выделением карбидов хрома, можно отметить снижение концентрации содержащегося в стали углерода до пределов его растворимости в аустените (до 0,02-0,03%), что, однако, представляет большие технологические трудности, а также получение металла шва сварного соединения с двухфазной мелкозернистой структурой. Увеличение в последнем случае удельной поверхности зерен изменяет характер расположения карбидных выделений, делая их более дисперсными и, как следствие, менее вредными.

Необходимо отметить, что развитие МКК на другом участке сварного соединения -околошовной зоне, нагреваемой при сварке до температур свыше 1200-1300°С, в основном наблюдается при сварке аустенитных сталей, содержащих элементы-стабилизаторы - титан или ниобий. При длительном нагреве сталей в области указанных температур происходит выделение карбидов этих элементов, при этом выпавшие карбиды формируются в виде цепочек, располагающихся по границам зерен. Во многих случаях, например, в окислительных средах, сварные соединения, выполненные при сварке аустенитных сталей, стабилизированных титаном и ниобием, оказываются менее стойкими к ножевой коррозии, чем стали с низким содержанием углерода. Кстати, при длительном нагреве хромоникелевых сталей в процессе сварки может развиваться 475-градусная хрупкость и также возможно выделение при температурах 650-850°С хрупкой интермсталлической сигма-фазы.

Рекомендуемая технология сварки. Основные положения технологии ручной дуговой сварки хромоникелевых сталей должны соответствовать общим требованиям ручного дугового процесса (см. гл. 10), а также содержать дополнительные указания, связанные со специфическими свойствами сталей и особенностями их поведения при сварке.

Выбор, хранение и подготовка электродов к сварке. При сварке высоколегированных хромоникелевых сталей операция выбора электрода приобретает особенно актуальное значение. Главными критериями при выборе рациональных электродов являются обеспечение требуемого комплекса сварочно-технологических свойств, в том числе стойкости шва против образования горячих трещин, а также получение сварных соедине­ний со служебными характеристиками (механическими свойствами, коррозионной стойкостью, жаростойкостью или жаропрочностью) на уровне характеристик свариваемого металла.

Электроды, предназначенные для сварки сталей аустенитного класса, должны обеспечивать получение металла шва со структурой, лишенной крупнозернистых столбчатых образований- К тому же содержание серы и фосфора в наплавленном металле должно быть резко ограничено. Формирование благоприятной структуры металла шва, снижающей склонность к образованию горячих трещин, достигается подбором такого химического состава наплавленного металла, при котором в процессе кристаллизации сварочной ванны образуется вторая (кроме чистого аустенита) фаза, препятствующая росту крупных столбчатых кристаллов. Такими фазами могут быть феррит в количестве 2-10% (в зависимости от марки электрода) и, при наличии в расплаве молибдена - железо-молибденовые эвтектические включения. Кстати, уменьшение размеров зерен в металле шва способствует повышению его стойкости против МКК.