Тепловложение при сварке

Вывод: В условиях строительства на месте, где требуется строгий контроль погонной энергии, но колебаний параметров трудно полностью избежать (например, при строительстве корпусов судов и зданий), использование порошковой сварочной проволоки часто обеспечивает более стабильные и предсказуемые характеристики сварки.

二. Тепловложение при сварке：Почему строгий контроль погонной энергии необходим для сварки высокопрочных сталей?

При сварке высокопрочных сталей (особенно закаленных и отпущенных с пределом текучести ≥ 690 МПа) строгий контроль погонной энергии — это не просто рекомендация, а непреложное правило. Причина кроется в том, что превосходные свойства высокопрочных сталей (высокая прочность, высокая вязкость) обусловлены не простым легированием, а специфической микроструктурой, которая достигается прокаткой, контролируемым охлаждением и, что самое главное, отпуском.

Термический цикл сварки — это, по сути, «разрушение и восстановление» исходного состояния отпущенной стали после термической обработки.

❶ Возникновение зоны термического влияния (ЗТВ): область основного металла, прилегающая к сварному шву, нагревается до различных пиковых температур во время сварки, а затем охлаждается с разной скоростью. Эта область и есть ЗТВ — самое слабое место сварного соединения.

❷ Повреждение исходной микроструктуры:

● Микроструктура основного металла закаленной стали представляет собой отпущенный сорбит, сочетающий в себе прочность и вязкость.

● Во время термического цикла сварки область вблизи линии сплавления нагревается до температур, значительно превышающих температуру фазового превращения (Ac3), и исходный отпущенный сорбит превращается в крупнозернистый аустенит.

● При последующем охлаждении этот аустенит превращается в крупнозернистый хрупкий мартенсит или верхний бейнит и т. д.

Величина погонной энергии напрямую определяет степень этого «повреждения».

三. Конкретные негативные последствия избыточного погонной энергии для микроструктуры и свойств сварного шва

Погонная энергия = (Напряжение × Ток × 60) / Скорость сварки. Избыточное погонная энергия означает высокую энергию сварки, медленный нагрев и медленное охлаждение.

❶ Влияние на зону термического влияния (ЗТВ)

⑴ Сильное укрупнение зерна: Длительное воздействие высоких температур приводит к быстрому росту зерна аустенита. При охлаждении он превращается в крупнозернистый мартенсит или верхний бейнит. Это приводит к резкому снижению ударной вязкости (энергии удара) ЗТВ, повышению температуры хрупкого перехода и снижению стойкости соединения к хрупкому разрушению.

⑵ Образование зон разупрочнения и охрупчивания:

● Зона разупрочнения: В области между Ac1 и Ac3 при пиковой температуре исходный отпущенный сорбит претерпевает лишь частичное фазовое превращение или отпуск, что приводит к агрегации и росту карбидов, образуя мягкую, пластичную зону со значительно более низкой прочностью и твёрдостью, чем у основного металла. Это потенциальный источник разрушения под нагрузкой.

● Зона охрупчивания: В несколько более удалённой зоне низкотемпературного отпуска (пиковая температура примерно от 400 °C до Ac1) микроструктура может трансформироваться в нижний бейнит или хрупкую отпускную микроструктуру с низкой вязкостью.

❷ Влияние на металл сварного шва

⑴ Крупные зерна сварного шва: Также крупные из-за длительного пребывания при высокой температуре, что приводит к снижению прочности и вязкости.

⑵ Потеря легирующих элементов: Особенно для сплошной сварочной проволоки, чрезмерное тепловложение увеличивает потери легирующих элементов (таких как Mn, Si и т. д.) от окисления, изменяя химический состав шва и приводя к недостаточной прочности.

⑶ Повышенная склонность к образованию кристаллизационных трещин: Крупные столбчатые структуры зерен легче способствуют агрегации эвтектик с низкой температурой плавления на границах зерен, увеличивая риск образования горячих трещин.

❸ Общие структурные проблемы

⑴ Высокие сварочные напряжения и деформации: Высокий погонный нагрев приводит к большему тепловому расширению и сжатию, что приводит к повышению остаточных сварочных напряжений и более сильной структурной деформации.

(2) Снижение стойкости к холодным трещинам: Хотя медленная скорость охлаждения способствует выделению водорода и снижает склонность к холодным трещинам, это преимущество часто нивелируется ухудшением вязкости, вызванным укрупнением зерна современных низководородных сварочных материалов. Грубая микроструктура сама по себе более чувствительна к водородному растрескиванию.

四: Тепловложение при сварке：Краткое изложение и аналогии

Микроструктуру отпущенной высокопрочной стали можно представить как «тщательно собранный замок Lego» – прочный, но гибкий.

● Погонный нагрев при сварке подобен локальному «землетрясению» в замке.

● Соответствующее погонное нагрев эквивалентно лёгкому сотрясению; после локальной реконструкции структура остаётся стабильной.

● Избыточное тепловложение эквивалентно сильному землетрясению, в результате чего фундамент замка (зерна) становится грубым и рыхлым, что приводит к образованию слабых песчаных участков (зон размягчения) и хрупких ледяных блоков (зон охрупчивания) в определённых зонах (ЗТВ), что снижает прочность и ударную вязкость всей конструкции (сварного соединения).

Поэтому при сварке высокопрочных сталей обычно используется технология «многопроходной сварки с низким тепловложением». Эффективный «отпуск» ЗТВ предыдущего сварного прохода последующими проходами позволяет измельчить зерно и улучшить микроструктуру, что позволяет получить сварное соединение с превосходными общими характеристиками.Тепловложение при сварке