A - схема однопроходной сварки пластин; б - кривые изменения температуры в процессе сварки в точках 1 - 4 (термические циклы).

Под термическим циклом сварки понимают изменение температуры в данной точке тела во время сварки. Термический цикл сварки, нагревая и охлаждая основной металл и металл шва, фактически подвергает его вынужденной термической обработке. Результаты такой обработки носят в разной степени негативный, а иногда и недопустимый характер. Поэтому термическому циклу сварки придают должное внимание, особенно при сварке сложных металлов и сплавов.

Основными параметрами, определяющими форму термического цикла и его воздействие на металл являются: скорость нагрева, максимальная температура нагрева Т_max, длительность пребывания металла выше заданной температурыt_н, скорость охлаждения. Эти параметры зависят от способа, технологии и режимов сварки, теплофизических свойств свариваемого металла, конфигурации соединения, условий охлаждения и температуры металла перед сваркой.

Скорость нагрева металла при ручной дуговой сварке колеблется в пределах 100-400°С/с, что является сравнительно небольшой величиной (при электронно-лучевой сварке скорость нагрева превышает 1000°С/с). Она не оказывает заметного влияния на конечные свойства свариваемого металла, поскольку подавляется последующим воздействием других параметров термического цикла.

Параметры термического цикла сварки:

Т_max - максимальная температура нагрева; T - заданная температура; t_н - длительность пребывания металла выше заданной температуры; t_8/5 - время охлаждения металла в диапазоне температур 800 - 500 °С.

Максимальная температура нагрева металла - весьма важный параметр цикла, поскольку он напрямую связан со структурными и фазовыми превращениями, проходящими в металле при сварке. Самые высокие температуры имеют расплавленный металл шва и прилегающие к нему участки основного металла. По мере удаления от шва максимальные температуры нагрева снижаются.

Кривая максимальных температур нагрева металла и воздействие температур на принципиальное строение зоны термического влияния сварного соединения при рдс углеродистых, низколегированных и легированных сталей:

1 - участок перегрева; 2 - участок перекристаллизации (нормализации, закалки); 3 - участок неполной (частичной) перекристаллизации; 4 - участок отпуска, разупрочнения; 5 - участок старения, дисперсионного твердения;

Понятно, что характеристика металла, нагреваемого при сварке до температуры, выше или близкой к температуре его плавления, будет существенно отличаться от характеристики металла, нагреваемого до температуры, лишь немного превышающей его начальную температуру. На глубину проходящих при сварке структурно-фазовых процессов совместно с максимальной температурой нагрева оказывает влияние также длительность пребывания металла в зоне определенных температур. Продолжительное пребывание металла, особенно при высоких температурах, способно в несколько раз снизить его пластические и другие характеристики вследствие интенсивного роста зерна и изменения фазового состава.

Длительность пребывания металла выше заданной температуры - это время, в течение которого металл в процессе сварки находится в определенном интервале температур - от некоторой заданной температуры Т до максимальной температуры T_max

где Т_н - начальная температура металла, °С; q - эффективная тепловая мощность сварочной дуги, Вт; V_св - скорость сварки (перемещения дуги), см/с; С_р - объемная теплоемкость металла Дж/(см³∙°С); δ – толщина свариваемой пластины, см; у - расстояние от данной точки до оси шва, см.

где а - коэффициент температуропроводности, см²/с; а = λ/ С_р, где λ - коэффициент теплопроводности, Дж/(см∙с∙ °С).

 Для определения длительности пребывания металла ЗТВ выше заданной температуры используют соответствующие номограммы.

Скорость охлаждения металла в термическом цикле сварки играет исключительно важную роль в формировании конечной структуры металла шва и зоны термического влияния и, как следствие, свойств всего сварного соединения. Из практики обычной термической обработки известно, что путем регулирования скорости охлаждения нагретого до различных температур металла можно коренным образом изменять его структуру и механические свойства. В частности, при быстром охлаждении в воде или масле получают металл с закаленной структурой, имеющей высокую прочность и низкую пластичность, при медленном охлаждении - металл с отожженной структурой и пониженными прочностными свойствами. Родственные процессы с подобными результатами имеют место и при сварке. Так, высокие скорости охлаждения при сварке ряда марок сталей способны приводить к появлению в ЗТВ закалочных структур, существенному снижению вязкости металла и даже к образованию холодных трещин. Чрезмерно низкие - к перегреву металла и общему понижению эксплуатационных характеристик. Поэтому скоростью охлаждения металла при сварке нужно и можно управлять.

Мгновенную скорость охлаждения металла ω, °С/с, т.е. скорость охлаждения при заданной температуре или в данной точке термического цикла при однопроходной сварке стыковых соединений пластин, можно вычислить по формуле: ω = -2πλС_рδ² (Т - Т_н)³ / (q/V_св)².

Знак минус показывает, что происходит остывание металла.

Поскольку у большинства конструкционных сталей фазовые превращения при остывании в процессе сварки происходят в интервале температур 800-500°С, для оценки скорости охлаждения металла в термическом цикле сварки часто используют время охлаждения в диапазоне температур 800-500°С. Такой подход является более корректным еще и по той причине, что нисходящая часть кривой термического цикла носит не прямой, а экспоненциальный характер, вследствие чего мгновенная скорость охлаждения по ходу кривой не является неизменной и постоянно меняется. Время охлаждения металла шва и ЗТВ при однопроходной сварке пластин малой и средней тол

где k - коэффициент приведения, учитывающий различные условия теплоотвода стыковых и угловых швов от расплавленного металла в основной металл. Для стыковых швов k=1,0; для угловых швов, форма которых способствует более интенсивному теплоотводу и, как следствие, повышению скорости охлаждения металла k =0,5-0,7. При ручной дуговой сварке стали без подогрева время охлаждения металла составляет порядка 1-10 с.