Исследование формирования цинкового покрытия на образцах со сварным соединением

Для предотвращения коррозии изделия со сварными швами подвергают горячему цинкованию. Составные части сварных конструкций могут быть выполнены из сталей разных марок. Металл электрода незначительно отличается по химическому составу от соединяемых деталей, но должен быть подобран таким образом, чтобы дефекты сварных соединений были минимизированы или исключены.

Огромную роль на качество сварных соединений оказывает режим и метод сварки, поэтому при выборе технологических параметров необходимо обязательно учитывать требования ГОСТ 23118 и ГОСТ 9.307, т.к. наличие пор, свищей, сварочных шлаков могут привести к ухудшению качества цинкового покрытия и впоследствии стать фактором образования коррозии, в том числе щелевой (рис.1).

Рисунок 1 – сварочный шлак, причина дефекта цинкового покрытия

При сварке в момент короткого замыкания дугового промежутка под действием электродинамического удара сварочного тока часть электродного металла разлетается и оседает на поверхности основного металла, прилегающего к шву. Такие мелкие капли называются сварочными брызгами и являются допустимыми на неответственных и недекоративных конструкциях. Однако встает вопрос о прочности сцепления сварочной брызги в зоне контакта с металлом, т.к. в труднодоступных для зачистки местах не всегда возможно произвести удаление сварочных брызг, например в местах сопряжения трех плоскостей, где выполнена закольцовка сварного шва.

Как правило, небольшие менее 1 мм по размеру сварочные брызги легко устраняются металлической щеткой и удаляются в процессе химической предварительной подготовки металла к оцинкованию. Брызги размером от 1 до 2 мм имеют большую площадь контакта с поверхностью основного металла, поэтому требуют оценки прочности сцепления для исключения фактора отслоения от металла в процессе эксплуатации конструкции.

Для исследования особенностей формирования цинкового покрытия на сварных соединениях из Ст3сп были отобраны образцы с фрагментами сварного шва и сварочных брызг размерами более 1 мм (рис. 2).

Рисунок 2 – Зона сварного соединения детали из Ст3

Исследуемые образцы прошли предварительную подготовку поверхности (обезжиривание, травление, промывка, флюсование), затем были оцинкованы по стандартной технологии при Т= 450оС, τ= 3 минуты.

При сварке использовалась сварочная проволока марки ESAB ОК Autrod 12.51 диаметр 1,2 мм. Ее химический состав по паспорту приведен таблице 1.

Таблица 1 – Химический состав сварочной проволоки, %:

Количество основных легирующих элементов в основном металле, сварном шве и сварочной брызге представлен в таблице 2.

Таблица 2 – Элементный анализ (вес, %)

Из полученных данных видно, что содержание кремния в этих зонах сильно отличается, больше всего кремния содержится в брызге.

Данный химический состав сварочной брызги свидетельствует о том, что сварочная ванна состоит преимущественно из расплавленного металла проволоки, высокое содержание кремния которой оказывает влияние на скорость образования слоев цинкового покрытия и их толщину.

Исследования показали, что цинковое покрытие на основном металле, сварном шве и сварочной брызги имеет строение, характерное для кремнистых сталей (рис. 3).

Рисунок 3 – Микроструктура покрытия на основном металле, х1000

Рисунок 4 – Зона соединения брызги и основного металла, х100

Рисунок 5 – Микроструктура цинкового покрытия, х400: на сварочной брызге

В структуре покрытия наблюдаются крупные столбчатые кристаллиты ζ-фазы, расположенные над тонким слоем δ-фазы. Покровный цинк (фаза η) практически отсутствует. Покрытие имеет хорошее соединение с основой, трещин и отслаивания от основы не обнаруживается. Покрытия такого строения обладают хорошей коррозионной стойкостью, матовым серым цветом поверхности.

Как видно из рисунков 3-5, отличительной особенностью цинкового покрытия на основном металле и сварочной брызге является толщина: на основном металле - 140 мкм, на брызге - 250 мкм, что обусловлено повышенным содержанием кремния в брызге.

Сцепление сварочной брызги с основным металлом исследовалось с помощью микроскопа. В зоне соединения брызги и основного металла наблюдаются включения окислов и крупные поры. Однако, больше 50% зоны контакта представляет собой качественное соединение без границы раздела (рисунок 4).

Это обеспечивает достаточно прочное сцепление брызги с основным металлом. Такие брызги могут быть удалены только с помощью механической обработки. Наличие включений и несплошностей в зоне контакта может способствовать развитию коррозии только в случае повреждения цинкового покрытия в месте соединения брызги и основного металла.

Микроструктура цинкового покрытия в месте соединения брызги и основного металла представлена на рисунке 5.

а)	б)

Рисунок 5 – Микроструктура цинкового покрытия, х400:

а - на сварочной брызге; б – в месте соединения брызги и основного металла

По своему строению цинковое покрытие на брызге не отличается от покрытия на основном металле. Оно также не имеет никаких дефектов строения и имеет толщину порядка 200 мкм (рис. 5а). Цинковое покрытие в месте соединения брызги с основным металлом имеет повышенную толщину от 430 до 630 мкм. Покрытие плотное, однородное, без пор трещин и расслаиваний, больше чем на половину состоит из чистого цинка. Локальное утолщение покрытия связано с изменением геометрии изделия в зоне перехода брызги в основной металл и образуется за счет поверхностного натяжения при кристаллизации цинкового расплава. 

Цинковое покрытие на сварном шве представлено на рисунке 6.

Рисунок 6 – Микроструктура покрытия на сварном шве, х600

Микроструктура покрытия на сварном шве представлена столбчатыми кристаллами ζ фазы, толщина покрытия больше чем на основном металле изделия и составляет около 250 мкм (рис. 6).

ВЫВОДЫ:

1. Цинковое покрытие основного металла, брызги и сварного шва имеет принципиально одинаковое строение, характерное для покрытий на высококремнистых сталях. Оно состоит в основном из кристаллитов фазы ζ, расположенных поверх тонкого слоя фазы δ. Покровный цинк (фаза η) присутствует только в зоне перехода от основного металла к брызге и к сварному шву.
2. В покрытии отсутствуют такие дефекты как несплошности, поры, трещины и отслаивания, что позволяет предположить хорошую прочность соединения покрытия и основы. Из особенностей покрытия можно отметить его локальную повышенную толщину, особенно в зоне брызги и сварного шва, которая в труднодоступных местах может обеспечить дополнительную катодную защиту металла.
3. На поверхности покрытия могут наблюдаться серые и блестящие пятна, в зависимости от того, есть в этом месте покровный цинк (фаза η) или нет, на коррозионную стойкость покрытия это не влияет.
4. Крупные сварочные брызги размерами от 1 мм до 2 мм имеют сплошной диффузионный контакт с основой более 50% и цинковое покрытие аналогичное покрытию основного металла, что обеспечивает отсутствие дефектов покрытия в процессе эксплуатации.