Участки зоны термического влияния кратко
Обновлено: 08.07.2024
Сварное соединение можно разделить на три основные зоны, имеющие различную микроструктуру:
- зону основного металла;
- зону термического влияния;
- и зону наплавленного металла сварного шва.
При газовой сварке вследствие медленного нагрева зона термического влияния (околошовная зона) больше, чем при дуговой. Зона термического влияния имеет несколько структурных участков, вызванных температурой нагрева в пределах 450-1500°С и отличающихся между собой формой и строением зерна.
Рисунок 1 - Строение зоны термического влияния сварного шва
Зона термического влияния состоит из следующих участков:
- неполного расплавления
- перегрева
- нормализации
- неполной перекристаллизации
- рекристаллизации
- синеломкости.
Общая протяженность околошовной зоны при газовой сварке в зависимости от толщины металла составляет примерно от 8 до 28 мм. Для улучшения структуры и свойств металла шва и зоны термического влияния, выполненных газовой сваркой, применяют горячую проковку металла шва, термообработку нагревом сварочной горелкой и общую термообработку сварного изделия нагревом в печах и медленным охлаждением.
Под влиянием тепла дуги, происходит не только плавление металла в месте образования шва, но и нагрев околошовной зоны или зоны термического влияния. В результате чего, меняется размер и форма зерен основного металла, по мере удаления от оси симметрии шва.
По этому признаку в зоне термовлияния (ЗТВ) различают следующие участки:
1. Участок НЕПОЛНОГО РАСПЛАВЛЕНИЯ (1539 – 1500 град) –
характеризуется частично оплавленными зернами основного металла. Этот участок или зона сплавления, определяет прочность сварного соединения. Если кристаллиты и зерна основного металла хорошо срослись или как бы проникли друг в друга, то соединения будет обладать высокой прочностью. Это характерно тогда, когда химический состав электродного или присадочного металлов совпадают.
Однако это не всегда бывает так, при разнице в химическом составе. Тогда на границе между основным металлом и металлом шва, образуется оксидная пленка, снижающая прочность. Ширина участка неполного расплавления небольшая и составляет от 0,1 до 0,4 мм. 0
2. Участок ПЕРЕГРЕВА (1500-1100 С )
характеризуется крупнозернистой структурой, с размерами зерен до 12 раз превышающими исходные зерна основного металла. Перегрев понижает механические свойства, главным образом пластичность и ударную вязкость. Разрушение сварного соединения, по основному металлу, обычно происходит по этому участку. Ширина участка, зависит от химического состава стали (например, у легированных сталей, имеющих меньшую теплопроводность, она большая) и от времени выдержки при температуре 1500 – 1100 град и в среднем составляет 3-4 мм.
3. Участок НОРМАЛИЗАЦИИ или ПОЛНОЙ ПЕРЕКРИСТАЛЛИЗАЦИИ (1100 – 900 град)
Эта температура несколько превышает критическую, при которой происходит преобразование кристаллической ячейки объемно-центрированного куба (альфа – железа или структуры феррита), в кристаллическую ячейку гранецентрированного куба (гамма-железа или структуры аустенита). В результате чего, зерно измельчается и при охлаждении сохраняется. Именно так проводится термообработка называемая нормализацией, от чего и произошло название этого участка. Благодаря мелкозернистому строению, механические свойства металла на этом участке выше, по сравнению с основным металлом. Ширина участка составляет 1-4 мм.
4. Участок НЕПОЛНОЙ ПЕРЕКРИСТАЛЛИЗАЦИИ (900 – 700 град) –
характеризуется смесью мелких зерен, в которых произошла перекристаллизация, и довольно крупных зерен основного металла. Неравномерное кристаллическое строение на этом участке, приводит к некоторому снижению механических свойств.
5. Участок РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИИ (700 – 500 град) –
здесь происходит восстановление формы зерен от деформированной, полученной в результате прокатки, штамповки и др., до глобулярной. Этот участок характерен только для катанных сталей, т.е. прошедших обработку давлением. У литых сталей, т.е. деталей изготовленных методом литья в формы, этот участок отсутствует.
6. Участок СИНЕЛОМКОСТИ (500 – 200 град) –
характерен тем, что на светлом металле появляются цвета побежалости (синего, фиолетового оттенка). На этом участке размер и форма зерен основного металла не меняются, но возможно выделение между границ зерен неметаллических включений, снижающих в этом месте пластичность.
При меньшей, чем 200 град. Температуре, каких-либо изменений с основным металлом не происходит.
Ширина зоны термического влияния зависит от количества тепла вводимого в металл при сварке за единицу времени и способа сварки. При сварке на больших токах ее ширина будет меньшая и наоборот. При ручной дуговой сварке покрытыми электродами ширина зоны термовлияния составляет 5 -7 мм, а при газовой сварке может достигать 20-25 мм в зависимости от толщины металла, что объясняется меньшей, чем у дуги, температурой пламени.
Чем меньше ширина зоны термического влияния, тем на меньшей ширине происходят структурные изменения, тем выше механические свойства сварного соединения.
Под влиянием тепла дуги, происходит не только плавление металла в месте образования шва, но и нагрев околошовной зоны или зоны термического влияния. В результате чего, меняется размер и форма зерен основного металла, по мере удаления от оси симметрии шва.
По этому признаку в зоне термовлияния (ЗТВ) различают следующие участки:
1. Участок НЕПОЛНОГО РАСПЛАВЛЕНИЯ (1539 – 1500 град) –
характеризуется частично оплавленными зернами основного металла. Этот участок или зона сплавления, определяет прочность сварного соединения. Если кристаллиты и зерна основного металла хорошо срослись или как бы проникли друг в друга, то соединения будет обладать высокой прочностью. Это характерно тогда, когда химический состав электродного или присадочного металлов совпадают.
Однако это не всегда бывает так, при разнице в химическом составе. Тогда на границе между основным металлом и металлом шва, образуется оксидная пленка, снижающая прочность. Ширина участка неполного расплавления небольшая и составляет от 0,1 до 0,4 мм. 0
2. Участок ПЕРЕГРЕВА (1500-1100 С )
характеризуется крупнозернистой структурой, с размерами зерен до 12 раз превышающими исходные зерна основного металла. Перегрев понижает механические свойства, главным образом пластичность и ударную вязкость. Разрушение сварного соединения, по основному металлу, обычно происходит по этому участку. Ширина участка, зависит от химического состава стали (например, у легированных сталей, имеющих меньшую теплопроводность, она большая) и от времени выдержки при температуре 1500 – 1100 град и в среднем составляет 3-4 мм.
3. Участок НОРМАЛИЗАЦИИ или ПОЛНОЙ ПЕРЕКРИСТАЛЛИЗАЦИИ (1100 – 900 град)
Эта температура несколько превышает критическую, при которой происходит преобразование кристаллической ячейки объемно-центрированного куба (альфа – железа или структуры феррита), в кристаллическую ячейку гранецентрированного куба (гамма-железа или структуры аустенита). В результате чего, зерно измельчается и при охлаждении сохраняется. Именно так проводится термообработка называемая нормализацией, от чего и произошло название этого участка. Благодаря мелкозернистому строению, механические свойства металла на этом участке выше, по сравнению с основным металлом. Ширина участка составляет 1-4 мм.
4. Участок НЕПОЛНОЙ ПЕРЕКРИСТАЛЛИЗАЦИИ (900 – 700 град) –
характеризуется смесью мелких зерен, в которых произошла перекристаллизация, и довольно крупных зерен основного металла. Неравномерное кристаллическое строение на этом участке, приводит к некоторому снижению механических свойств.
5. Участок РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИИ (700 – 500 град) –
здесь происходит восстановление формы зерен от деформированной, полученной в результате прокатки, штамповки и др., до глобулярной. Этот участок характерен только для катанных сталей, т.е. прошедших обработку давлением. У литых сталей, т.е. деталей изготовленных методом литья в формы, этот участок отсутствует.
6. Участок СИНЕЛОМКОСТИ (500 – 200 град) –
характерен тем, что на светлом металле появляются цвета побежалости (синего, фиолетового оттенка). На этом участке размер и форма зерен основного металла не меняются, но возможно выделение между границ зерен неметаллических включений, снижающих в этом месте пластичность.
При меньшей, чем 200 град. Температуре, каких-либо изменений с основным металлом не происходит.
Ширина зоны термического влияния зависит от количества тепла вводимого в металл при сварке за единицу времени и способа сварки. При сварке на больших токах ее ширина будет меньшая и наоборот. При ручной дуговой сварке покрытыми электродами ширина зоны термовлияния составляет 5 -7 мм, а при газовой сварке может достигать 20-25 мм в зависимости от толщины металла, что объясняется меньшей, чем у дуги, температурой пламени.
Чем меньше ширина зоны термического влияния, тем на меньшей ширине происходят структурные изменения, тем выше механические свойства сварного соединения.
Разные части сварного соединения имеют разную микроструктуру. Условно его можно поделить на три части:
- основной металл;
- зона термического влияния;
- сварной шов.
Зона термического влияния — часть основного металла прилегающая к сварочному шву, которая не расплавлялась, но ее структура и свойства меняются под влиянием нагрева при сварке.
Рис. 1. Структура и участки зоны термического влияния
По степени воздействия высоких температур на металл зона термического влияния делится на участки: участок неполного расплавления, участок перегрева, участок нормализации, участок неполной кристаллизации, участок рекристаллизации и участок синеломкости.
Участок неполного расплавления является переходным от металла шва до основного металла. Этот участок нагревается выше температуры плавления и находится в твердо-жидком состоянии. В этой области происходит сплавление кристаллов металла шва с основным металлом, поэтому от свойств этого участка зависит во многом качество сварного соединения. Для соединений выполненных дуговой сваркой эта зона составляет 0,1-0,5 мм.
Участок перегрева является зоной значительно перегретого основного металла (1100-1500 °C) крупнозернистой структурой. Для этого участка характерно понижение физических свойств пластичности и ударной вязкости. В соединениях с повышенным содержанием углерода в этой зоне могут образовываться закалочные структуры. Размер участка может достигать 3-4 мм. Чтобы уменьшить этот размер, следует увеличить скорость сварки или выполнять соединение за несколько проходов.
Участок нормализации является нагретым от 930 до 1100 °C основным металлом. Находится металл нагретым до такой температуры недолго и в процессе перекристаллизации формирует мелкозернистую структуру металла. Механические свойства участка повышаются в сравнении с состоянием до сварки.Длина участка от 0,2 до 4-5 мм
Участок неполной перекристаллизации является областью нагретой до 720-850 °С. Для этого участка характерна неполное изменение структуры металла. Вокруг зерен феррита в данном участке находятся мелкие зерна феррита и перлита, образовавшиеся в процессе перекристаллизации. Как следует из названия в этом участке металл не прошел полную перекристаллизацию. Размер участка от 0,1 до 0,5 мм в зависимости от режимов и вида сварки.
Участок рекристаллизации является область металла нагретого до 450-720 °С. Этот участок можно наблюдать при сварке сталей подвергавшихся пластическим деформациям (при сварке проката). На этом участке наблюдается восстановление зерен разрушенных при деформации. Размер участка от 0,1 до 1,5 мм.
Последний участок синеломкости лежит в промежутку температур от 200 до 450 °С. На участке можно увидеть синие цвета побежалости. На этом участке не проходит структурных изменений, но для него свойственно снижение пластических деформаций.
Размеры зоны термического влияния
Ширина зоны термического влияния зависит от выбранного способа и параметров режима сварки:
Увеличение скорости сварки и уменьшение силы тока приводит к снижению размеров зоны термического влияния.
Улучшение свойств и структуры зоны термического влияния
Для улучшения структуры и свойств металла шва и зоны термического влияния используют горячую проковку шва, общую термообработку и медленное охлаждение.
Для предотвращения образования закалочных структур при сварке средне- и высокоуглеродистых сталей используют предварительный и сопутствующий подогрев, а после сварке медленно охлаждают.
Зона термического влияния (ЗТВ) — это область вокруг сварного шва. В процессе сварки эта область подвергается различным термическим напряжениям, которые вызывают структурные изменения в сплаве. Под воздействием тепла в HAZ образуются внутренние напряжения и трещины. Прочность соединения уменьшается. Хотя металл в HAZ не плавится полностью, он нагревается до критической температуры. Структура и физические свойства сплава изменяются в зоне нагрева. Это влияет на прочность сварного соединения.
В зоне термического влияния свойства металла изменяются. Они определяются циклом термопластики, в зависимости от того, где она нагревается. Размер зерна формируется под воздействием температуры. Чем дольше сплав нагревается до температуры перехода, тем крупнее становятся зерна. Изменится ударная прочность и пластичность. Это основные физические свойства металлических изделий.
Как изменяется ширина зоны термического влияния при увеличении скорости сварки?
Чем быстрее нагревается и остывает заготовка, тем меньше сила тока. Чем меньше ток, тем меньше температурный эффект и тем меньше PFL.
Из чего состоит зона термического влияния
Зона термического влияния делится в зависимости от степени воздействия высокой температуры на металл на участки: участок неполного плавления, участок перегрева, участок нормализации, участок неполной кристаллизации, участок рекристаллизации и участок силикатизации. Участок неполного проплавления — это участок перехода от металла шва к основному металлу. Эта область нагрета выше точки плавления и находится в твердо-жидком состоянии.
Это область, где кристаллы металла шва сплавляются с основным металлом, и качество сварного соединения во многом зависит от свойств этой области. Для дуговых сварных соединений эта зона составляет 0,1 -0,5 мм. Перегретая зона — это зона перегретого основного металла (1 1 00-1 500 °C) с крупнозернистой структурой. Эта область характеризуется снижением таких физических свойств, как пластичность и ударная прочность.
В соединениях с высоким содержанием углерода в этой зоне могут образовываться упрочняющие структуры. Размер этой зоны может достигать 3-4 мм. Чтобы минимизировать этот размер, необходимо увеличить скорость сварки или выполнить сварку за несколько проходов. В зоне нормализации основной металл нагревается до температуры от 930 до 1 1 00°C. Металл нагревается до этой температуры в течение короткого времени и в процессе рекристаллизации образует мелкозернистую структуру металла.
Механические свойства поперечного сечения увеличиваются по сравнению с состоянием до сварки. Длина поперечного сечения варьируется от 0,2 до 4-5 мм. Эта зона характеризуется неполным изменением структуры металла. Вокруг зерен феррита на этом участке находятся мелкие зерна феррита и перлита, которые образовались во время рекристаллизации. Как следует из названия, металл в этой области не полностью рекристаллизовался.
Размер этой зоны составляет от 0,1 до 0,5 мм в зависимости от процедуры и типа сварки. Рекристаллизация — это область металла, нагретого до 450-72 0°C. Эту область можно наблюдать при сварке пластически деформируемых сталей (сварка проката). В этой области восстанавливаются зерна, разрушенные во время деформации. Размер этого участка колеблется от 0,1 до 1 ,5 мм. Окончательная сине-голубая часть имеет температуру между 2 00 и 450 °C.
Здесь можно увидеть синее обесцвечивание. В этом участке не происходит структурных изменений, но характерно снижение пластической деформации.
Чем опасна зона термического влияния
В зоне термического влияния на металле шва и в зоне термического влияния могут образовываться хрупкие межкристаллитные трещины. Они возникают в твердо-жидком состоянии в конечной фазе первичной кристаллизации, а также в твердом состоянии при высоких температурах во время преимущественного развития межкристаллитной деформации.
Наличие температурно-временного интервала хрупкости является первой причиной горячего растрескивания.
Интервал охрупчивания, вызванный температурой, обусловлен образованием жидких и полужидких промежуточных слоев, которые нарушают металлическую непрерывность сварного шва. Эти слои образуются в присутствии легкоплавких, сульфидных соединений (сульфидов) FeS с температурой плавления 1 1 89 °C и NiS с температурой плавления 81 0 °C. На пике развития сварочного напряжения происходит сдвиг металла вдоль этих жидких прослоек, который перерастает в хрупкие трещины.
Читайте также: