Зона термического влияния – причины, последствия и способы ее сокращения
Зона термического влияния (или просто ЗТВ) возникает, когда металл подвергается воздействию высоких температур. Это отрицательно сказывается на конструкции и структуре металла. В этой статье обсуждаются эти эффекты и способы их уменьшения. Некоторыми производственными процессами, которые производят ЗТВ, являются механическая и термическая резка, а также сварка. При механической резке большая часть энергии превращается в тепло, которое влияет как на срок службы инструментов, так и на разрезаемый металл. Методы термической резки, такие как лазерная и плазменная резка, фактически используют тепло для работы. Снова происходят те же структурные и внешние изменения. Сварка, как и термическая резка, использует очень высокие температуры для добавления расплавленного металла или расплавления самих деталей. Поскольку формирование зоны термического влияния оказывает значительное влияние на качество конечного продукта, полезно понимать его различные аспекты.
Что такое зона термического влияния?
Во время резки или сварки металла он поглощает выделяющееся тепло. Это тепло передается от режущей кромки через металлический корпус, так как металл является хорошим проводником тепла. Между расплавленным металлом и неповрежденным основным металлом образуется пространство, называемое зоной термического влияния (ЗТВ). В этой зоне металл не плавится, но тепло приводит к изменению микроструктуры металла. Эти изменения в структуре могут снизить прочность металла. ЗТВ определяется серией ярких полос между границей раздела резки/сварки и неповрежденным основным металлом. Цвета варьируются от светло-желтого до фиолетового.
Структура настолько прочна, насколько сильна ее самая слабая точка. Следовательно, распознавание ЗТВ может быть разницей между успехом и неудачей изготовления конкретной детали.
Что говорит цвет?
В результате использования различных температур во время производственных процессов в ЗТВ присутствуют различные оттенки. Эти оттенки варьируются от светло-желтого до темно-синего в порядке возрастания температуры.
Цвета полос в порядке изменения температуры:
✅ Светло-желтый - 290º С;
✅ Соломенно-желтый - 340º С;
✅ Желтый - 370º С;
✅ Коричневый - 390º С;
✅ Фиолетово-коричневый- 420º С;
✅ Темно фиолетовый - 450º С;
✅ Синий - 540º С;
✅ Темно-синий - 600°С;
Факторами, которые в дальнейшем влияют на формирование этих тепловых оттенков, являются:
✅ Состояние поверхности – шероховатые поверхности быстрее окисляются, что приводит к более яркому окрашиванию.
✅ Поверхностное загрязнение. Такие загрязнения, как ржавчина, краска и масло, также влияют на оттенок. Загрязнение может изменить оттенок нагрева, но это не повлияет на расширение ЗТВ.
✅ Доступность кислорода . Поскольку ограничение доступа кислорода снижает окисление, использование электродного покрытия или защитного газа для сварки может повлиять на оттенок тепла.
✅ Содержание хрома – хром повышает стойкость к окислению. Следовательно, более высокое содержание хрома снижает интенсивность теплового оттенка.
Что такое зона термического влияния?
Во время резки или сварки металла он поглощает выделяющееся тепло. Это тепло передается от режущей кромки через металлический корпус, так как металл является хорошим проводником тепла. Между расплавленным металлом и неповрежденным основным металлом образуется пространство, называемое зоной термического влияния (ЗТВ). В этой зоне металл не плавится, но тепло приводит к изменению микроструктуры металла. Эти изменения в структуре могут снизить прочность металла. ЗТВ определяется серией ярких полос между границей раздела резки/сварки и неповрежденным основным металлом. Цвета варьируются от светло-желтого до фиолетового.
Структура настолько прочна, насколько сильна ее самая слабая точка. Следовательно, распознавание ЗТВ может быть разницей между успехом и неудачей изготовления конкретной детали.
Что говорит цвет?
В результате использования различных температур во время производственных процессов в ЗТВ присутствуют различные оттенки. Эти оттенки варьируются от светло-желтого до темно-синего в порядке возрастания температуры.
Цвета полос в порядке изменения температуры:
✅ Светло-желтый - 290º С;
✅ Соломенно-желтый - 340º С;
✅ Желтый - 370º С;
✅ Коричневый - 390º С;
✅ Фиолетово-коричневый- 420º С;
✅ Темно фиолетовый - 450º С;
✅ Синий - 540º С;
✅ Темно-синий - 600°С;
Факторами, которые в дальнейшем влияют на формирование этих тепловых оттенков, являются:
✅ Состояние поверхности – шероховатые поверхности быстрее окисляются, что приводит к более яркому окрашиванию.
✅ Поверхностное загрязнение. Такие загрязнения, как ржавчина, краска и масло, также влияют на оттенок. Загрязнение может изменить оттенок нагрева, но это не повлияет на расширение ЗТВ.
✅ Доступность кислорода . Поскольку ограничение доступа кислорода снижает окисление, использование электродного покрытия или защитного газа для сварки может повлиять на оттенок тепла.
✅ Содержание хрома – хром повышает стойкость к окислению. Следовательно, более высокое содержание хрома снижает интенсивность теплового оттенка.
Формирование зоны термического влияния
Причиной образования ЗТВ является тепло. Ширина зоны по-прежнему зависит от нескольких факторов, таких как температуропроводность и выбор методов резки.
Теплопроводность
Теплопроводность металла играет основную роль в определении того, как ЗТВ повлияет на металл. Это отношение теплопроводности металла к его плотности и удельной теплоемкости при постоянном давлении. Проще говоря, коэффициент теплопроводности металла является мерой того, насколько быстро тепло будет передаваться. Если коэффициент теплопроводности высок, металл сможет быстрее передавать тепло. Это приводит к более быстрому охлаждению, и ЗТВ будет уже. С другой стороны, низкая теплопроводность дольше удерживает тепло в металле и создает более широкую ЗТВ.
Например, теплопроводность нержавеющей стали AISI 304 составляет 4,2 мм 2 /с, тогда как для конструкционной стали она составляет 11,72 мм 2 /с. Это означает, что конструкционная сталь при нагревании создает меньшую ЗТВ, так как быстрее остывает.
Создание ЗТВ также зависит от различных других факторов. Ширина зоны зависит от количества выделяемого тепла, продолжительности воздействия тепла и толщины материала. Тонкий листовой металл нагревается быстрее и поэтому создает большую зону термического влияния.
Выбор метода резки
Каждый метод термической резки немного отличается. Таким образом, результирующая зона термического влияния также различается. Газовая резка и дуговая сварка производят максимальное количество тепла и имеют самый широкий ЗТВ. Быстрые и стабильные сварные швы сводят к минимуму воздействие тепла. Таким образом, наличие опытного сварщика может уменьшить размер ЗТВ и, следовательно, обеспечить более прочное соединение. Размер ЗТВ при плазменной резке относительно тоньше, поскольку можно регулировать скорость резки, чтобы получить узкую ЗТВ. Лазерная резка создаст ЗТВ еще меньшего размера, потому что она имеет узкий разрез и тепло воздействует на небольшую площадь.
Такие процессы, как гидроабразивная резка, не создают ЗТВ, поскольку не вызывают перегрева материала. Это необходимо учитывать при проектировании деталей, требующих повышенной надежности.
Эффекты ЗТВ
Зона термического влияния приводит к структурным изменениям металла, ослабляющим деталь в этой зоне. Это влияет на механические свойства металла, такие как сопротивление усталости, деформация и поверхностное растрескивание. Это делает чрезвычайно важным изучение эффектов ЗТВ, что применимо, даже если вы не режете или не свариваете металл самостоятельно.
Давайте посмотрим на различные особенности влияния ЗТВ на металл.
Теплопроводность
Теплопроводность металла играет основную роль в определении того, как ЗТВ повлияет на металл. Это отношение теплопроводности металла к его плотности и удельной теплоемкости при постоянном давлении. Проще говоря, коэффициент теплопроводности металла является мерой того, насколько быстро тепло будет передаваться. Если коэффициент теплопроводности высок, металл сможет быстрее передавать тепло. Это приводит к более быстрому охлаждению, и ЗТВ будет уже. С другой стороны, низкая теплопроводность дольше удерживает тепло в металле и создает более широкую ЗТВ.
Например, теплопроводность нержавеющей стали AISI 304 составляет 4,2 мм 2 /с, тогда как для конструкционной стали она составляет 11,72 мм 2 /с. Это означает, что конструкционная сталь при нагревании создает меньшую ЗТВ, так как быстрее остывает.
Создание ЗТВ также зависит от различных других факторов. Ширина зоны зависит от количества выделяемого тепла, продолжительности воздействия тепла и толщины материала. Тонкий листовой металл нагревается быстрее и поэтому создает большую зону термического влияния.
Выбор метода резки
Каждый метод термической резки немного отличается. Таким образом, результирующая зона термического влияния также различается. Газовая резка и дуговая сварка производят максимальное количество тепла и имеют самый широкий ЗТВ. Быстрые и стабильные сварные швы сводят к минимуму воздействие тепла. Таким образом, наличие опытного сварщика может уменьшить размер ЗТВ и, следовательно, обеспечить более прочное соединение. Размер ЗТВ при плазменной резке относительно тоньше, поскольку можно регулировать скорость резки, чтобы получить узкую ЗТВ. Лазерная резка создаст ЗТВ еще меньшего размера, потому что она имеет узкий разрез и тепло воздействует на небольшую площадь.
Такие процессы, как гидроабразивная резка, не создают ЗТВ, поскольку не вызывают перегрева материала. Это необходимо учитывать при проектировании деталей, требующих повышенной надежности.
Эффекты ЗТВ
Зона термического влияния приводит к структурным изменениям металла, ослабляющим деталь в этой зоне. Это влияет на механические свойства металла, такие как сопротивление усталости, деформация и поверхностное растрескивание. Это делает чрезвычайно важным изучение эффектов ЗТВ, что применимо, даже если вы не режете или не свариваете металл самостоятельно.
Давайте посмотрим на различные особенности влияния ЗТВ на металл.
Физические и химические изменения
При резке металла он поглощает тепло с очень высокой скоростью. Охлаждение, обеспечиваемое охлаждающей жидкостью, также является быстрым. Это может существенно изменить микроструктуру и свойства металла в зоне поражения. Молекулярные структуры металлов расширяются при нагревании. Если подводимое тепло изменяется по поперечному сечению металла, это приводит к неравномерному расширению и последующему сжатию металлического тела. Деформации, могут возникать в процессе охлаждения. Например, производство горячекатаных сталей имеет аналогичные результаты.
Химические изменения также видны по мере того, как различные фазы создаются рядом друг с другом в зависимости от конкретных температур, достигаемых различными участками металла.
Азотирование поверхности
Поверхностное азотирование включает добавление азота к металлической поверхности для повышения ее твердости. При высокотемпературной резке и сварке металлов этот эффект проявляется непреднамеренно. В результате в нагретой зоне увеличивается твердость и снижается свариваемость.
Окисление
Когда металлы подвергаются воздействию высоких температур, среди прочих явлений они могут подвергаться окислению. Это отвечает за яркие полосы, характерные для ЗТВ.
Изменение фазы
Диаграмма карбида железа помогла нам понять фазы стали. Различные фазы создаются в зависимости от температуры стали. Например, при воздействии высоких температур аустенитная нержавеющая сталь превращается в мартенситную сталь. Мартенситная сталь более твердая и хрупкая, чем первая. В некоторых случаях нагрев ослабляет металл.
Водородная хрупкость
Водородное охрупчивание представляет собой диффузию водорода в решетку металла, что снижает пластичность и ударную вязкость металла . Высокие температуры могут привести к водородному охрупчиванию. Фазовое превращение может происходить в некоторых металлах благодаря атомарному водороду. Это может вызвать водородное растрескивание даже в течение суток после процесса резки.
Коррозия
Нержавеющая сталь тоже может подвергаться коррозии в зоне термического влияния. Экстремальный нагрев приводит к осаждению карбидов хрома вблизи границ зерен кристаллов. Это снижает содержание хрома в нержавеющей стали ниже 10,5%. Результатом является потеря самопассивации (способность воссоздавать защитный слой оксида хрома для предотвращения коррозии), вызывающая межкристаллитную коррозию. Металл также теряет свойство быть нержавеющим, в крайних случаях он становится черным.
Химические изменения также видны по мере того, как различные фазы создаются рядом друг с другом в зависимости от конкретных температур, достигаемых различными участками металла.
Азотирование поверхности
Поверхностное азотирование включает добавление азота к металлической поверхности для повышения ее твердости. При высокотемпературной резке и сварке металлов этот эффект проявляется непреднамеренно. В результате в нагретой зоне увеличивается твердость и снижается свариваемость.
Окисление
Когда металлы подвергаются воздействию высоких температур, среди прочих явлений они могут подвергаться окислению. Это отвечает за яркие полосы, характерные для ЗТВ.
Изменение фазы
Диаграмма карбида железа помогла нам понять фазы стали. Различные фазы создаются в зависимости от температуры стали. Например, при воздействии высоких температур аустенитная нержавеющая сталь превращается в мартенситную сталь. Мартенситная сталь более твердая и хрупкая, чем первая. В некоторых случаях нагрев ослабляет металл.
Водородная хрупкость
Водородное охрупчивание представляет собой диффузию водорода в решетку металла, что снижает пластичность и ударную вязкость металла . Высокие температуры могут привести к водородному охрупчиванию. Фазовое превращение может происходить в некоторых металлах благодаря атомарному водороду. Это может вызвать водородное растрескивание даже в течение суток после процесса резки.
Коррозия
Нержавеющая сталь тоже может подвергаться коррозии в зоне термического влияния. Экстремальный нагрев приводит к осаждению карбидов хрома вблизи границ зерен кристаллов. Это снижает содержание хрома в нержавеющей стали ниже 10,5%. Результатом является потеря самопассивации (способность воссоздавать защитный слой оксида хрома для предотвращения коррозии), вызывающая межкристаллитную коррозию. Металл также теряет свойство быть нержавеющим, в крайних случаях он становится черным.
Как уменьшить ЗТВ?
Независимо от того, свариваете вы или режете металл, главное — скорость. Как уже было сказано ранее, более короткое воздействие тепла снижает ЗТВ. Возможность оптимизировать скорость зависит от оборудования и операторов машин. Знание того, как настроить машины для достижения наилучшей производительности, приводит к отличным результатам.
Постформационное восстановление
После образования ЗТВ можно обработать металл, чтобы восстановить часть его утраченной прочности.
В случае сварки это может быть выполнено с использованием предварительной или послесварочной обработки. Равномерное изменение фазы металла обеспечивает меньший эффект в отношении окружающего металла. Отжиг помогает в случае со сталью. Этот метод включает нагревание металла и выдержку его при определенной температуре для укрепления элементарных связей в кристаллической структуре металла.
Ручное удаление заусенцев с острых кромок
Механическая отделка может помочь с эстетической стороны. Один из способов сделать это — использовать наждачную бумагу для удаления теплового оттенка, образовавшегося в результате окисления. Это обнажит нижний слой и приведет к самопассивации хрома в случае нержавеющей стали. Однако возможно и ослабление детали. Самый эффективный способ избавиться от всей зоны термического влияния — это ее машинная обработка. Хотя это и приводит к потере материала.
Заключение
Зона термического влияния является неотъемлемой частью процессов высокотемпературной резки и сварки металлов. Причина кроется в перегреве металла во время этих процессов, что может сказаться на свойствах материала. Формирование ЗТВ можно контролировать в определенной степени. Таким образом, лучший способ бороться с этим — обратиться к надёжному цеху металлообработки, обладающему необходимыми знаниями и оборудованием, чтобы свести изменения к минимуму.
Постформационное восстановление
После образования ЗТВ можно обработать металл, чтобы восстановить часть его утраченной прочности.
В случае сварки это может быть выполнено с использованием предварительной или послесварочной обработки. Равномерное изменение фазы металла обеспечивает меньший эффект в отношении окружающего металла. Отжиг помогает в случае со сталью. Этот метод включает нагревание металла и выдержку его при определенной температуре для укрепления элементарных связей в кристаллической структуре металла.
Ручное удаление заусенцев с острых кромок
Механическая отделка может помочь с эстетической стороны. Один из способов сделать это — использовать наждачную бумагу для удаления теплового оттенка, образовавшегося в результате окисления. Это обнажит нижний слой и приведет к самопассивации хрома в случае нержавеющей стали. Однако возможно и ослабление детали. Самый эффективный способ избавиться от всей зоны термического влияния — это ее машинная обработка. Хотя это и приводит к потере материала.
Заключение
Зона термического влияния является неотъемлемой частью процессов высокотемпературной резки и сварки металлов. Причина кроется в перегреве металла во время этих процессов, что может сказаться на свойствах материала. Формирование ЗТВ можно контролировать в определенной степени. Таким образом, лучший способ бороться с этим — обратиться к надёжному цеху металлообработки, обладающему необходимыми знаниями и оборудованием, чтобы свести изменения к минимуму.
КОНТАКТЫ
zakaz@ltm-tech.ru
Адрес производства:
188230, РОССИЯ, Ленинградская обл., Лужский р-н,
г. Луга, Шоссе Ленинградское, д. 36
РЕКВИЗИТЫ:
Общество с ограниченной ответственностью "ЛТМЕТАЛЛ"
МЕТАЛЛООБРАБОТКА
ИНН 4710014460
ОГРН 1204700013022
