Скидка на подшипники из наличия!
Уже доступен
Зона термического влияния (ЗТВ) — это участок основного металла, непосредственно примыкающий к сварному шву, в котором под воздействием теплового цикла сварки произошли структурные и фазовые изменения без расплавления металла. Именно в ЗТВ сосредоточены основные риски для надёжности сварного соединения: рост зерна, закалочные структуры, хрупкость и холодные трещины.
При сварке плавлением тепловой источник нагревает металл до температуры выше линии ликвидуса в зоне шва. По мере удаления от линии сплавления температура снижается, однако на определённом расстоянии она остаётся достаточно высокой для протекания фазовых и диффузионных превращений в твёрдом состоянии. Область, охваченная этими превращениями, называется зоной термического влияния.
Металл ЗТВ не переходит в жидкое состояние, однако термический цикл — интенсивный нагрев и последующее охлаждение — вызывает перекристаллизацию, рост зерна, выделение карбидов и фазовые превращения, которые изменяют механические свойства: твёрдость, ударную вязкость, пластичность и коррозионную стойкость.
Для сталей перлитного класса внешняя граница ЗТВ соответствует температуре около 720–730°C — нижней критической точке Ac1, ниже которой фазовые превращения в твёрдой фазе не происходят. Эта температура принята в качестве границы ЗТВ в российской нормативной базе и международных стандартах серии EN 1011.
ЗТВ неоднородна. По мере приближения к линии сплавления максимальная температура нагрева увеличивается, и каждый температурный диапазон формирует участок с характерной структурой и механическими свойствами. Для низкоуглеродистых и низколегированных сталей принято выделять следующие участки.
Располагается непосредственно у линии сплавления. Металл нагревается до 1100–1480°C — от начала интенсивного роста зерна до температуры, лежащей ниже солидуса (~1500°C для низкоуглеродистой стали). В этом диапазоне зерно аустенита растёт непрерывно: при температурах свыше 1100°C начинается ускоренный рост, и размер зерна может увеличиться в 10 раз и более по сравнению с исходным. После охлаждения формируется видманштеттова структура или крупноигольчатый мартенсит в закаливающихся сталях.
Участок перегрева — наиболее опасная зона в сварном соединении: ударная вязкость закаливающихся и среднеуглеродистых сталей снижается в 2–4 раза по сравнению с основным металлом, резко возрастает склонность к хрупкому разрушению и образованию холодных трещин.
Диапазон нагрева — 850–1100°C, что соответствует температурам выше Ac3 (верхней критической точки низкоуглеродистой стали — около 850°C) без перегрева зерна. Металл полностью аустенизируется, но зерно аустенита остаётся мелким и равноосным. После охлаждения формируется мелкозернистая феррито-перлитная структура.
Механические свойства металла на этом участке, как правило, не уступают, а нередко превосходят свойства основного металла — аналогично результату термической нормализации.
Температурный диапазон — 720–850°C (между точками Ac1 и Ac3). Перлитные колонии при нагреве переходят в аустенит, тогда как часть ферритных зёрен сохраняет исходный размер. После охлаждения структура становится разнозернистой: мелкие перекристаллизованные зёрна соседствуют с крупными нерекристаллизованными. Такая неоднородность снижает пластичность и ударную вязкость по сравнению с участком нормализации.
Диапазон нагрева — 450–720°C. Фазовых превращений не происходит. В предварительно наклёпанных (деформированных) сталях наблюдается рекристаллизация феррита: деформированные зёрна замещаются равноосными. В металле без предшествующего наклёпа свойства практически не отличаются от основного металла.
Нагрев в диапазоне 100–450°C. На поверхности разреза металл приобретает синеватые цвета побежалости. Видимых структурных изменений нет, однако в кипящих и полуспокойных сталях, содержащих повышенное количество растворённого кислорода и азота, происходит их выделение на дефектах кристаллической решётки. Результат — некоторое снижение ударной вязкости при комнатной температуре. Для спокойных и низколегированных сталей этот участок практически не ухудшает эксплуатационные свойства.
Ширина зоны термического влияния — ключевой технологический параметр, непосредственно поддающийся регулированию. Для низкоуглеродистых и низколегированных сталей типичные значения составляют: при ручной дуговой сварке (РДС) — 2–6 мм, при автоматической сварке под флюсом (АФ) — 8–15 мм, при лазерной сварке — менее 1 мм.
Главный регулируемый фактор — погонная энергия сварки (тепловложение на единицу длины шва), рассчитываемая по формуле:
q = η · U · I / v
где η — коэффициент полезного действия термического источника (для РДС η = 0,75–0,80; для TIG η = 0,60–0,65; для SAW η = 0,90–1,00 — по EN 1011-1); U — напряжение дуги, В; I — сварочный ток, А; v — скорость сварки, мм/с. Результат q — в Дж/мм.
Зависимость ширины ЗТВ от погонной энергии квадратичная: увеличение q в 4 раза расширяет ЗТВ приблизительно в 2 раза при прочих равных условиях.
Помимо погонной энергии, ширину ЗТВ определяют: теплофизические свойства металла (коэффициент температуропроводности, теплопроводность), начальная температура изделия (предварительный подогрев), толщина свариваемых деталей и условия теплоотвода. Материалы с высокой теплопроводностью (алюминий, медь) при одинаковой погонной энергии дают более узкую ЗТВ, чем сталь.
Участок перегрева — основное место зарождения холодных трещин при сварке закаливающихся сталей. Максимальная твёрдость в крупнозернистой ЗТВ определяется прежде всего содержанием углерода: при C = 0,2% твёрдость мартенсита составляет порядка 400–450 HV, при C = 0,4% — 550–600 HV.
Согласно требованиям ISO 15614-1:2017 и рекомендациям EN 1011-2, для большинства конструкционных нелегированных и низколегированных сталей твёрдость ЗТВ не должна превышать 380 HV10. Значение 350 HV является общепринятым практическим критерием, ниже которого вероятность водородного растрескивания существенно снижается.
Снижение ударной вязкости в участке перегрева связано с укрупнением аустенитного зерна и формированием неблагоприятных морфологий структуры. Для закаливающихся и среднеуглеродистых сталей в крупнозернистой ЗТВ значения KCV при пониженных температурах могут снижаться в 2–4 раза по сравнению с нормативными требованиями к основному металлу. Для низкоуглеродистых сталей снижение, как правило, менее значительно.
При нагреве в диапазоне 450–850°C в нестабилизированных аустенитных сталях (тип 304, 316) по границам зёрен выделяются карбиды хрома Cr23C6. Приграничные области обедняются хромом ниже 12%, что делает ЗТВ уязвимой для межкристаллитной коррозии — это явление называется сенсибилизацией или «ножевой коррозией».
Методы предотвращения: применение низкоуглеродистых марок (304L, 316L с C ≤ 0,03%) или стабилизированных сталей (321 — с Ti; 347 — с Nb), ограничение погонной энергии, а также послесварочный отжиг при 1050–1100°C с быстрым охлаждением для растворения выделившихся карбидов.
При сварке термоупрочнённых алюминиевых сплавов серий 2ХХХ (Al–Cu) и 7ХХХ (Al–Zn–Mg) участок ЗТВ, нагретый до 200–400°C, является зоной разупрочнения: упрочняющие выделения растворяются или укрупняются, снижая прочность до уровня отожжённого состояния. Прочность сварного соединения оказывается ниже прочности основного металла.
Контроль ЗТВ включает разрушающие и неразрушающие методы. Основной разрушающий метод — металлографический анализ: поперечный шлиф через сварное соединение травят реактивом Ниталь (2–5% HNO3 в этаноле) и исследуют под световым микроскопом при увеличении 50–500х. Это позволяет измерить ширину каждого участка ЗТВ и определить балл зерна по ГОСТ 5639-82 (аналог ISO 643).
Измерение профиля твёрдости по линии от центра шва через ЗТВ к основному металлу проводится методом Виккерса при нагрузке 98 Н (HV10) по ГОСТ Р ИСО 9015-1-2009. Шаг замеров — как правило, 0,5 мм. На сечениях с узкой ЗТВ (менее 2,5 мм, например при лазерной сварке) применяют нагрузку HV5 или HV1. По профилю твёрдости чётко выделяются зона повышенной твёрдости (участок перегрева) и, при необходимости, зона разупрочнения.
Из неразрушающих методов трещины и несплавления в ЗТВ выявляют ультразвуковым контролем (УЗК) по ГОСТ Р ИСО 17640-2016 (соответствует ISO 17640:2018), магнитопорошковым и капиллярным методами согласно ГОСТ 3242-79. Радиографический метод менее пригоден для обнаружения плоскостных дефектов — холодных трещин, ориентированных вдоль линии сплавления.
Зона термического влияния — неизбежная составляющая любого процесса сварки плавлением. Её структура неоднородна: пять участков с различными температурами нагрева и разными структурными и механическими характеристиками. Участок перегрева представляет наибольшую опасность из-за роста зерна и охрупчивания, тогда как участок нормализации формирует благоприятную мелкозернистую структуру.
Ширина ЗТВ и свойства её участков определяются погонной энергией сварки, способом сварки и составом основного металла. Минимальная ЗТВ достигается при лазерной и электронно-лучевой сварке (менее 1 мм). Для большинства конструкционных сталей критерием качества ЗТВ служит твёрдость не выше 380 HV10 по ISO 15614-1:2017, а широко принятый практический предел — 350 HV.
Правильный выбор погонной энергии, предварительного подогрева и послесварочной термообработки позволяет минимизировать негативные эффекты ЗТВ и обеспечить надёжность сварного соединения на протяжении всего срока эксплуатации конструкции.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.