Bilim.techО проекте

Сварка и зона термического влияния

Почему шов на ковше трескается на следующий день после сварки? Веди дугу по листу, меняй ток, скорость и подогрев и смотри, как растет зона термического влияния и твердость у шва.

01 Что это такое

Сварка расплавляет металл узкой полосой, но нагревает гораздо шире. Металл рядом со швом, который не плавился, но успел раскалиться, называют зоной термического влияния.

Дуга плавит кромки и проволоку, и после остывания получается металл шва. Граница, где жидкое встретилось с твердым, это линия сплавления. За ней сталь нагрелась до разных температур: у самого шва почти до плавления, дальше слабее. Получается термообработка, которую никто не заказывал. Возле шва зерно вырастает и металл становится хрупким, чуть дальше зерно, наоборот, измельчается. Если сталь остывает быстро, у шва может появиться твердый мартенсит, а с ним и трещины. Поэтому сварщик подбирает ток, скорость и подогрев.

металл швалиния сплавленияперегрев, 1100–1450 °Cнормализациянеполнаяперекристаллизацияосновной металлнагрет меньше 727 °C
Каждая зона это та же сталь, но после своего нагрева: чем ближе к шву, тем горячее. Ширина ЗТВ обычно от 2 до 10 мм.
q
Погонная энергия, кДж/мм. Сколько тепла дуга вкладывает в каждый миллиметр шва. От нее зависят ширина ЗТВ и скорость остывания.
t8/5
Время остывания с 800 до 500 °C, с. Главное число сварщика: слишком короткое дает мартенсит и трещины, слишком длинное дает крупное зерно.
Cэкв
Углеродный эквивалент, %. Насколько сталь склонна закаливаться у шва. Больше 0,45 % нужен подогрев.
02 Опыт
Веди дугу. Меняй ток и скорость. Смотри на ЗТВ. ТЕМПЕРАТУРНОЕ ПОЛЕ
МАТЕРИАЛЫ

Не треснет ли шов?

Рис. 10.3
ГОТОВЫЕ СЛУЧАИ
Погонная энергия q
Остывание t₈/₅
Твердость у шва
03 Формулы по буквам

Сколько тепла вложили и как быстро оно ушло

Ток, напряжение и скорость дают погонную энергию. От нее, толщины и подогрева зависит время остывания, а от него твердость у шва. Числа берутся из опыта.

Сколько тепла уходит в каждый миллиметр шва?

q = U · I · η / v

Мощность дуги делим на скорость: чем медленнее ведешь электрод, тем больше тепла достается каждому миллиметру. Часть мощности уходит в воздух и брызги, поэтому есть КПД.

q
погонная энергия, кДж/мм
U
напряжение дуги, В
I
сварочный ток, А
η
тепловой КПД: у ручной дуговой и полуавтомата около 0,8
v
скорость сварки, мм/с

Склонна ли сталь закаливаться у шва?

Cэкв = C + Mn/6 + (Cr+Mo+V)/5 + (Ni+Cu)/15

Каждый легирующий элемент добавляет закаливаемость, как часть углерода. Чем больше эквивалент, тем легче у шва получается мартенсит и тем нужнее подогрев.

C, Mn…
содержание углерода, марганца, хрома, молибдена, ванадия, никеля, меди, %
до 0,40
варится хорошо, без подогрева
0,40–0,55
подогрев 100–200 °C, особенно для толстых листов и на морозе

Как быстро остывает шов?

t8/5 ≈ k · q / (500 − T0)

Упрощенная формула для толстого листа: тепло уходит во все стороны. Подогрев T0 уменьшает разницу температур, и шов остывает медленнее. Для тонкого листа зависимость сильнее: t8/5 растет как q².

t8/5
время остывания от 800 до 500 °C, с. Для большинства сталей хорошо 8–25 с
T0
начальная температура металла или подогрев, °C
k
коэффициент теплоотвода, около 5000 °C·с·мм/кДж для стали

Откуда берутся холодные трещины

Нужны три вещи сразу. Первая: твердая хрупкая структура у шва, мартенсит. Он появляется, если зона перегрева остыла быстрее критической скорости, как при закалке. Подробнее в теме «Закалка, отпуск и отжиг».

Вторая: водород. Он попадает в шов из влажного электрода, ржавчины и инея на кромках и медленно собирается в хрупкой зоне. Третья: напряжения от усадки шва, особенно в толстом жестком узле.

Трещина появляется не сразу, а через часы или даже сутки после сварки, когда водород соберется. Подогрев убирает сразу две причины: металл остывает медленнее, мартенсита меньше, и водород успевает уйти. Поэтому электроды прокаливают, а кромки ковша на морозе греют горелкой до 100–150 °C.

мартенситу шваводородиз влагинапряженияот усадкитрещина
Холодная трещина появляется там, где сходятся все три причины. Убери хотя бы одну, и ее не будет.
04 Где и зачем это применяют

Сварка в ремонте горной техники

Допущения модели+

Температурное поле посчитано по формуле Розенталя для точечного источника на поверхности толстой пластины: ориентировочно, без учета теплоты плавления и конечной толщины. Ширина зон на разрезе получена из того же решения, глубина проплавления условная. Время t8/5 считается упрощенными формулами для толстого и тонкого листа с плавным переходом по толщине. Твердость в зоне перегрева оценена по Cэкв и t8/5 грубой зависимостью, реальные кривые для каждой стали свои. Порог 350 HV, выше которого растет риск холодных трещин, принят как типичный ориентир. Состав сталей и Cэкв взяты средние по маркам.

Еще в направлении «Инженерия»

Все темы направления «Инженерия» →