Выявление склонности к закалке материала соединяемых элементов в зоне термического влияния при электродуговой сварке

1. Цель работы

1.1. Изучить строение сварного соединения и свойства металла его зон.

1.2. Научиться определять связь между маркой стали и склонностью к закалке металла в зоне термического влияния.

 

2. Основные теоретические положения и методические указания

Сварка является одним из важнейших технологических процессов. Наибольшее распространение в судостроении и судоремонте получила электродуговая сварка.

Для того, чтобы технически грамотно подходить к решению вопроса по сварочным работам, необходимо усвоить физические основы сварки, тщательно изучить строение и свойства сварных соединений, представлять причины возникновения в них дефектов.

Особое внимание следует обратить на склонность стали к закалке в зоне термического влияния (околошовной зоне), поскольку она является одной из основных причин появления трещин и ухудшения механических свойств сварных соединений при сварке сталей с повышенным содержанием углерода и (или) легирующих элементов.

Под влиянием термического воздействия (нагрева и охлаждения) сварки основной металл в околошовных зонах претерпевает значительные структурные изменения. Сущность этих изменений выясняется при сопоставлении кривой максимальных температур нагрева точек околошовной зоны с диаграммой структурных превращений основного металла и его микроструктуры (рис. 6. 1).

Участок 1 зоны термического влияния нагревается при сварке до температуры, близкой к температуре плавления. Его называют участком перегрева. Он имеет крупнозернистую ферритно-игольчатую (Видманштеттову) структуру, обладает наибольшей хрупкостью и поэтому является самым слабым местом сварного соединения.

На 2-ом участке ЗTB температура металла не превышает 1100°С. Здесь наблюдается полная нормализация стали, в результате которой структура оказывается мелкозернистой. Металл на этом участке имеет повышенные механические свойства по сравнению с основным металлом.

На 3-ем участке ЗTB, температура которого лежит между критическими точками A₁ и А₃, происходит неполная перекристаллизация стали – наряду с крупными зернами феррита, которые не подверглись перекристаллизации, образуются новые, мелкие зерна феррита и перлита.

4-й участок ЗТВ присутствует только в сталях, которые подвергались холодной пластической деформации – на нем материал несколько разупрочняется из-за рекристаллизации. В сварных соединениях корпуса судна, изготавливаемого из горячекатаных листов стали, этом участок отсутствует.

Таким образом, при электродуговой сварке стали в 3TB, расположенной за зоной сплавления, структура основного металла сильно изменяется. Размеры 3TB зависят от способа и технологии сварки и рода свариваемого металла. Так, при ручной дуговой сварке стали тонкообмазанными электродами размеры ЗТВ минимальные (2…2, 5 мм); при сварке электродами с толстой обмазкой протяженность ее равна 4…10 мм, а при газовой сварке – 20…25 мм.

Структурные изменения основного металла в ЗТВ мало отражаются на механических свойства малоуглеродистой стали при сварке ее любыми способами с последующим отжигом. Однако при сварке среднеуглеродистых и низколегированных сталей в ЗТВ может происходить образование закалочных структур, которые резко снижают пластические свойства сварных соединений и часто являются причиной образования трещин.

Качественной характеристикой склонности стали к образованию закалочных структур и трещин является эквивалентное содержание углерода С_экв, рассчитываемое при известном химсоставе по формуле:

, %

В зависимости от величины С_экв стали разделяют на следующие три группы.

· – незакаливающиеся или малозакаливающиеся (стали 10ХСНД, 09Г2 и др.).

· – закаливающиеся: в ЗТВ таких сталей могут встречаться неравновесные структуры: сорбит, троостит, троостомартенсит и даже мартенсит (стали З0ХГСА, 40Х, 20ХМФА и др.).

· – сильнозакаливающиеся. В ЗТВ таких сталей присутствует мартенсит (стали 30Х12, 40Х13, 18Х2Н4ВА, 40ХНМ и др.).

На основании изложенного следует, что для получения качественного сварного соединения при сварке сталей с содержанием % необходимо применять специальные меры, предотвращающие образование мартенсита и закалочных трещин. Наиболее часто для этих целей используют предварительный подогрев металла перед сваркой или в процессе сварки. При этом приближенно температуру подогрева t можно определить по формуле:

, °С

где δ - толщина места сварки, мм.

Обычно температура подогрева малолегированных сталей лежит в интервале 100…200°С, а для высоколегированных может достигать 400…500°С. Кроме подогрева перед сваркой, для повышения качества сварного соединения, рекомендуется тепловая изоляция свариваемой детали (покрытие асбестом, засыпка песком и т.п.). Это является особенно важным при сварке в судовых условиях.

 

 

3. Приборы, инструмент и материалы, используемые

при выполнении работы

· Твердомер ТК-2 ……………………………………….………………. 1 шт.

· Образцы сварных соединений ………………………………………. 3 шт.

· Масштабная линейка ………………………………………………… 1 шт.

· Травитель: 10% - водный раствор CuSO ₄ …………………………. 50 г

· Плакат " Схема строения ЗТВ при ручной электродуговой

сварке низкоуглеродистой стали" …………………………………… 1 шт.

 

4. Задание на лабораторную работу

· Оформить разделы 1 и 2 отчета о выполнении работы.

· На занятии, перед выполнением работы ответить на вопросы билета контроля;

· Зачистить поверхность образца наждачной бумагой, протравить в 10% - водном растворе в течение 30 с. Удалить осадившуюся медь под струей воды, оценить размеры зон сварного соединения.

· Перпендикулярно к оси сварного шва провести карандашом линию длиной 40 мм, наметить на ней точки через 1 мм.

· В намеченных точках замерить твердость HRA на приборе ТК-2. Результаты занести в таблицу 3.1.

· Построить графические зависимости твердости от расстояния. Определить и наметить на образце ось сварного шва.

· Сделать заключение о склонности стали к закалке для каждого из образцов.

· Получить у преподавателя информацию о марке стали, определить для нее С _экв и необходимую температуру подогрева.

· Закончить оформление отчета и представить его преподавателю для защиты и окончательной оценки.