Металл сварного шва: параметры, влияющие на свойства и качество

Свойства, качество, процесс кристаллизации металла сварного шва зависят от множества параметров. К первичным относятся расходные материалы, используемые при сварке, свойства металла заготовки, режим работы сварочного аппарата. Вторичные – это среда, в которой производилась сварка, скорость выполнения шва, его остывания и т. д.

Подбирая те или иные параметры, можно заранее прогнозировать, каким получится сварной шов. Также это поможет избежать распространенных дефектов металла. Больше информации о металле сварного шва вы узнаете из нашего материала.

Параметры, влияющие на свойства металла сварного шва

Физические характеристики, определяющие особенности швов, сформированных сваркой, принято называть комплексными механическими свойствами сварных соединений. Подобные свойства зависят от расчетного соотношения механических показателей поверхности шва, зоны обработки, термических особенностей структуры изделия.

При проведении работ отталкиваются от характеристик металла сварного шва, а любые соединения в норме имеют структуру, приближенную к строению самого материала изделия.

Сварное соединение называют качественным, если достигнут предел прочности, а текучесть находится на уровне, обеспечивающем достаточную пластичность.

Равнопрочность сварного шва зависит от ряда технических и физических характеристик, таких как:

• используемые расходники (электроды, флюс, проволоки);
• химические показатели металла сварного шва;
• режим проведения работы;
• методика пайки, резки материала;
• размеры изделия, причем основным показателем, с точки зрения прочности металла сварного шва, является толщина заготовки;
• скорость охлаждения материала;
• вероятная деформация в пластических характеристиках шва.

В соответствии с данным регламентом устанавливают физические и технические параметры металла, что упрощает определение его фактических характеристик при переходе от легированного к нелегированному типу и обратно.

Ключевые нормы определения механических свойств для сварных швов установлены в ГОСТ 9467-60. Причем подобные методы определения используются в том числе и для операций с применением флюса и иных методов сварки. К последним относится ручная, дуговая, электродуговая сварка автоматом и полуавтоматом.

Факторы, влияющие на качество металла сварного шва

Качество металла сварного шва зависит от ряда факторов, таких как свариваемость, степень подверженности металла термическим воздействиям, окисляемость, пр. Важно учитывать все подобные критерии, чтобы готовые сварные соединения подходили под определенные условия эксплуатации.

В любом случае значимую роль здесь играют физические, химические особенности металлов, их кристаллическая решетка, присутствие примесей, степень легирования, пр., что сказывается на надежности металла сварного шва.

Физической свариваемостью называют способность материала образовывать монолитное соединение с устойчивой химической связью. Данное качество свойственно большинству чистых металлов, а также их техническим сплавам и некоторым комбинациям металлов и неметаллов.

Технологическая свариваемость – это реакция материала на сварку и способность сформировать шов с необходимыми характеристиками.

Качество сталей во многом зависит от их раскисляемости, которая определяется долей марганца, кремния и ряда прочих элементов в составе металла. Также на нее влияет и то, насколько равномерно распределены эти компоненты. На основании раскисляемости выделяют кипящие стали, маркируемые как «КП», полуспокойные с обозначением «ПС» и спокойные, то есть «СП».

В кипящей стали примеси распределены неравномерно по толщине проката, что наиболее ярко проявляется в случае с серой и фосфором и объясняется неполным раскислением марганцем.

У подобных сталей быстро проявляется старение, формируются кристаллизационные трещины на металле сварного шва и прилежащей к нему области. В результате при температуре ниже 0°C материал становится хрупким.

Спокойная сталь отличается равномерным распределением примесей, благодаря чему не так склонна к старению. Кроме того, на ней меньше отражается повышение температуры при сварке.

Полуспокойная сталь по своим свойствам находится между кипящей и спокойной.

Названные характеристики ложатся в основу выбора метода сварки, способов создания сварного шва, параметров теплового воздействия, пр.

Процесс кристаллизации металла сварного шва

Во время кристаллизации металл сварочной ванны испытывает на себе влияние горячей сварочной дуги и холодного окружающего металла. Иными словами, дуга вводит теплоту, а металл изделия ее отводит.

Переход металла из жидкого состояния в твердое сопровождается формированием кристаллов – это и есть кристаллизация. Металл сварного шва претерпевает этот процесс на протяжении всего процесса сварки.

Сварной шов обладает структурой литого металла. При сварке плавятся кромки заготовки и электродная проволока, подаваемая в зону ванны. Условно, последняя состоит из передней или головной и хвостовой части: в первой идет плавление, а во второй протекает кристаллизация и формируется шов.

Принято выделять первичную и вторичную кристаллизацию. Первичная – это переход жидкого металла в твердое состояние, что сопровождается формированием кристаллов. Сначала образовавшийся кристалл растет свободно, обладает правильной формой.

Но поскольку идет параллельное развитие множества кристаллов, постепенно они начинают касаться друг друга, соответственно, форма нарушается. В итоге они становятся округленными, больше всего напоминающими зерно, поэтому кристаллы обозначают как зерна.

Кристаллическое строение металла, сплава называют структурой. Также принято говорить о макроструктуре или строении металлов, которое можно различить невооруженным глазом или при помощи лупы.

Кристаллизация металла сварных швов происходит с гораздо большей скоростью, чем аналогичный процесс со слитками. Это объясняется тем, что интенсивный нагрев сварочной ванны быстро сменяется отводом тепла в заготовку.

Кристаллизация протекает в отдельных тонких слоях. Когда сформировался первый слой кристаллов, охлаждение металла замедляется на фоне выделения скрытой теплоты от протекающего процесса. Далее затвердевает второй слой, и так дальше по всей ванне.

Кристаллизационные слои имеют толщину от десятых долей миллиметра до нескольких миллиметров – конкретный показатель определяется объемом сварочной ванны и особенностями теплоотвода. Столбчатые кристаллы каждого нового слоя становятся продолжением предыдущего, благодаря чему кристаллы перерастают из слоя в слой.

Далее могут появиться дополнительные центры кристаллизации – обычно это тугоплавкие частицы, обломки зерен или самопроизвольно сформировавшиеся в жидком металле центры.

Во время многослойной сварки функция центров ложится на кристаллы предыдущего слоя. Они растут, присоединяя атомы из окружающего жидкого металла.

Каждый кристалл представляет собой группу элементарных столбчатых кристаллов, один конец которых соединен с общим основанием или оплавленным зерном основного металла. По форме и расположению кристаллов специалисты различают зернистую, столбчатую и дендритную или древовидную структуру остывшего металла.

Испытание металла сварного шва на прочность

Механические испытания сварных швов позволяют определить эксплуатационные характеристики и на их базе рассчитать возможные нагрузки.

Подобные проверки металла сварного шва проводятся различными способами, но всегда предполагают разрушение образцов при помощи разнонаправленных нагрузок. Также здесь используется специальное контрольное оборудование.

В первую очередь выбирают несколько серийных образцов, чтобы при помощи ряда идентичных операций определить пластичность, устойчивость шва к разрушениям.

Для швов, сформированных посредством различных видов сварки существует комплекс исследований. Речь идет о группах методов испытаний с направленными напряжениями:

• Статический метод предполагает постепенное повышение разрушающей нагрузки. Чтобы обеспечить постоянное напряжение, на испытания отводят много времени.
• Динамическое напряжение является мгновенным, не требуя большого отрезка времени для проведения проверки.
• Усталостные способы связаны с неоднократным воздействием на образец, причем количество циклов достигает десятков миллионов, а нагрузка изменяется по знаку, значению.

Без механических испытаний металла сварных швов не обходится серийное производство деталей. При помощи статических проверок оценивают стыковые соединения, замеряют такие физические характеристики швов, как твердость, ползучесть, растяжимость, пластичность, способность к изгибу, пр.

Для этого соединение сравнивают с образцом из целостного металла. На исследования отправляют образцы с зачищенным и не зачищенным валиком.

Такие эксперименты проводят с плоскими и трубчатыми образцами.

С помощью динамических испытаний устанавливают вероятность усталостной деформации шва, прочность на ударный изгиб. Для проверки задают разные условия, а именно нормальную, пониженную и повышенную температуру. Все полученные показатели фиксируются в протоколе в формате графиков, после чего исследуются по типу кривых.

Иногда могут использоваться иные, нормативно утвержденные исследования и расчеты показателей металла сварного шва.

Твердость замеряют в области диффузного слоя и зоны термического воздействия. Для проверки структурной прочности металла задействуют метод металлографии, с помощью которого исследуют такие области, как:

• диффузный слой шва;
• зона термического влияния;
• металл изделия, не испытывавший воздействия повышенной температуры в процессе сварки.

Причины возникновения дефектов

Дефекты могут появляться по объективным и субъективным причинам. Дело в том, что любой вид металлопроката имеет определенный уровень свариваемости, который зависит от метода его изготовления и состава сплава. Если планируется работа с плохо свариваемыми деталями, то в технологических картах изначально прописывается значительный процент брака.

Внешние дефекты несут меньшую опасность, чем внутренние, и могут быть обнаружены при помощи неразрушающих методов проверки. Однако важно понимать, что рискованно формировать ответственные сварные швы, не имея достаточных знаний и навыков, и лучше обратиться за помощью к специалистам.

Обычно нарушение целостности металла сварных швов и зоны, подвергавшейся температурному воздействию, происходит по таким причинам:

• некачественно проведена обработка стыков, например, плохо выполнена зачистка металла сварных швов от окалины, ржавчины, остатков оксидной пленки, жира и грязи, допущены нарушения в процессе удаления кислорода из металла сварного шва;
• использована наплавочная проволока, электроды, не подходящие к металлу заготовки;
• неисправно оборудование;
• неправильно установлены параметры на регуляторах сварочного аппарата, такие как сила тока, напряжение;
• допущена ошибка при укладке деталей, не учтен коэффициент линейного расширения;
• нарушено расстояние между электродом и заготовкой, из-за чего дуга имеет слишком большую или недостаточную длину.

Сварочные работы сильно влияют на механические свойства низкоуглеродистой стали. А обработка конструкционных сталей приводит к структурным изменениям в зоне термического воздействия, из-за чего снижаются механические показатели соединения. При этом в металле сварного шва появляются закалочные структуры, трещины.

Нужно понимать, что шов, зона термического влияния и металл заготовки, не подвергавшийся воздействию, имеют разную прочность. А значит, во время исследования важно расценивать сварное соединение как неоднородное тело. Разрушения могут происходить в любой из трех названных зон – все зависит от того, где наблюдается самая низкая прочность.

Сегодня удается добиваться равнопрочности сварных швов и основного металла при помощи электродов с качественными покрытиями и других расходников.

Надежность соединений обеспечивается прочностью металла сварного шва, а также зависит от ширины перегретого металла в зоне термического участка, общей ширины материала шва и перегретого металла. Немаловажными факторами становятся характер приложения внешней нагрузки, температура, при которой эксплуатируется изделие, пр.