Особенности первичной кристаллизации металла при сварке.

Кристаллизация металла в сварочной ванне протекает в таких спе­цифических условиях:

1) металл ванны находится под одновременным воздействием как источника тепла, так и охлаждающих стенок ванны. При этом фронт кристаллизации связан с перемещением источника тепла;

2) распределение температуры по объему металла ванны нерав­номерно;

3) кристаллизация металла осуществляется с большими сред­ними скоростями роста кристаллов.

В настоящее время установлено, что кристаллизация металла сварочной ванны носит прерывистый характер.

Кристаллизация металла в сварочной ванне первого типа(рис. 9.3).

Если плавление металла начинается в передней части ванны — на участке б — и заканчи­вается примерно на участке а, то кристаллизация протекает от уча­стка а на задней стенке сварочной ванны до участка в. При этом жидкий металл постоянно перемещается в сторону А, противопо­ложную направлению сварки (показано стрелкой).

Проплавленные зерна основного металла становятся зародыше­выми центрами кристаллизации. На них как на своеобразной под­кладке начинают рост первичные кристаллы, количество которых ограничено. Разрастаются кристаллы нормально к поверхности охлаждения в направлении, обратном отводу тепла, в глубь жидкого металла ванны. В поперечном направлении для роста кристаллов нет нужных условий, так как в этом направлении практически нет отвода тепла и градиенты температур незначительны.

Расстояние

Рис. 9.4. Схема образования в распла­ве перед фронтом кристаллизации облас­ти концентрационного переохлаждения.

Рис. 9.5. Схема роста кристаллов в сварочной ванне от границы сплавле­ния.

Особенностью процессов кристаллизации при сварке является наличие градиента концентрации растворенного элемента в слое переохлажденного расплава, окружающего твердую фазу. При этом возникает область так называемого концентрационного пере­охлаждения ∆T (рис. 9.4), поскольку из-за изменения состава 1 этого слоя меняется и температура 2 кристаллизации. Здесь факти­ческая температура 3 расплава, которая зависит от сложившихся условий кристаллизации, может не отвечать равновесной и быть ниже ее.

Так как при кристаллизации переохлажденного расплава по­верхность раздела фаз имеет выступы, то концентрационное пере­охлаждение создает благоприятные условия для роста именно этих выступов. Возникающие у выступов диффузионные потоки обедняют примесями вершины их и обогащают ими боковые грани. При доста­точной протяженности зоны переохлаждения у кристаллов появ­ляются ветви второго порядка, свойственные дендритному росту. На некоторой стадии роста столбчатых кристаллов последние пор­ции расплава оказываются настолько концентрационно переохлаж­денными, что в них зарождаются новые кристаллы. Последние, препятствуя росту столбчатых кристаллов, образуют в центре кристаллизующегося расплава зону с равноосной структурой (рис. 9.5).

По мере прорастания кристаллов в глубь ванны температурный градиент в жидком металле уменьшается, но из-за возрастания кон­центрации примеси перед фронтом кристаллов расширяется зона концентрационного переохлаждения, а это приводит к увеличению размеров кристаллов, их разветвлению.

Для установившегося процесса сварки количество тепла, посту­пающего в единицу времени, равно количеству тепла, отводимого в твердый металл. Установлено, что изменение скорости V_K роста кристалла по мере его прорастания от границы сплавления к центру ванны определяется формулой

V_K = V_св cos α, см/сек, (9.1)

где V_св — скорость сварки, т. е. скорость линейного перемещения источника тепла, см/сек;

α — угол между направлением роста кристалла в каждый определенный момент кристаллизации и направлением перемещения источника тепла.

Рис. 9.6. Изотермы по ориентировоч- Рис. 9.7. Схема столбчатого(-------) и слоистого(———) строения

ной оси кристалла. металла шва.

-

На рис. 9.6 показаны в плане изотермы квазистационарного поля. Кривая АВ— ориентировочная ось кристалла, характер изменения которой определяется изменением кривизны ванны. Не­трудно увидеть, что в точке Б угол α — 90°, т. е. скорость роста кристалла V_K у границы сплавления равна нулю. При завершении же роста кристалла (у оси X—X) угол α = 0 и тогда V_K становится равной скорости сварки V_св. Следовательно, от периферии к центру происходит не замедление роста кристалла, как при кристаллиза­ции слитков, а увеличение V_K от нуля у границы сплавления до максимальных значений в центре ванны.

Однако при кристаллизации ванны скорость роста кристаллов изменяется не монотонно. Периоды их ускоренного роста могут чере­доваться с замедлениями или остановками, что связано с различием между интенсивностью отвода тепла в твердый металл и выделением скрытой теплоты кристаллизации.

Прерывистость процесса кристаллизации металла ванны — ос­новная причина слоистости шва (рис. 9.7). Швы малого сечения имеют четкое и тонкое столбчатое слоистое строение (рис. 9.8, а, б). В швах же большого сечения слои кристаллизации выявляются лишь вблизи линии сплавления с основным металлом. В средней части таких швов кристаллизационные слои выражены слабо и могут не наблюдаться.

Исследование кристаллизационных слоев с помощью радиоак­тивных изотопов выявило их химическую неоднородность. Уста­новлено, что такой слой имеет три характерных участка (рис. 9.9):

1) нижний начальный участок 1 с наибольшим содержанием ликвирующих примесей;

2) средний наиболее широкий участок 2, где содержание ликвирующих примесей отвечает их среднему содержанию в шве;

3) верхний участок 3 с малым со­держанием ликвирующих примесей.

Рис. 9.8. Столбчатость и слоистость строения сварного шва.

Наличие трех участков в кристаллизационном слое объясня­ется существованием поверхности раздела твердой и жидкой фаз и, в связи с этим, развитием диффузионных процессов. При кристал­лизации 1-го слоя его участок / образуется в результате затверде­вания тонкой жидкой прослойки металла, которая непосредственно прилегает к основному металлу и успевает обогатиться ликвирующими примесями,

Рис. 9.9. Схема химической не­однородности по слоям кристал­лизации в сварных швах.

перешедшими из него. Участок 2 слоя кристал­лизуется уже из жидкого металла исходного состава и относительно однороден. Наконец, при замедлении или прекращении роста кри­сталла на границе раздела твердой и жидкой фаз развивается гете­рогенная диффузия, обогащающая пограничный объем жидкости ликвирующими примесями и обедняющая ими участок 3 слоя. По­следующие слои формируются аналогично рассмотренному.

Очевидно, что в ходе образования кристаллизационных слоев действуют законы избирательной кристаллизации. При этом диф­фузионная кристаллизация протекает в той части объема металла, которая находится вблизи границы сплавления, а в центральной части преобладает бездиффузионная кристаллизация.

Изучение первичной структуры столбчатого кристаллита выяв­ляет его дендритное строение, свойственное литому металлу вообще. Естественно, чем крупнее столбчатый кристалл, тем более развиты и его дендриты. Обычно у корня шва (первый кристаллизационный слой) расположены более мелкие дендриты, имеющие оси только первого порядка. В верхней же части шва дендриты более развиты: они имеют оси второго, а иногда и третьего порядка. Дендритное строение кристаллов свидетельствует о наличии в них так называе­мой дендритной неоднородности, т. е. разницы в составе их централь­ной и наружной частей. По мере продвижения фронта растущих столбчатых кристаллов в глубь металла оставшаяся жидкость, или ма­точный раствор, обогащается и насыщается различными примесями. Поэтому центральный участок шва и его периферия могут иметь различный состав.