Свариваемость материалов
..pdfКонстанта растворимости водорода К зависит от темпера туры и состава металла, которая может быть определена урав
нением
174е;
lg К = ------— ----- 1,72. |
(3.26) |
Т |
|
Растворимость водорода в железе при парциальном давле нии рнг=0,1 МПа в зависимости от температуры показана на рис. 3.7.
Для приближенной оценки растворимости водорода в рас плавленном железе при абсолютной температуре Т и парци-
Рис. 3.7. Растворимость в железе водорода |
Рис. 3.8. Влияние температуры и |
парци- |
при парциальном давлении рц„ =0,\ МПа |
ального давления водорода в газовоА фазе |
|
|
на его растворимость в жидком |
железе |
альном давлении рн2 в интервале температур |
до 2570 К |
можно пользоваться уравнением |
|
1745 |
(3 .27) |
lg V = 0,5 lg рн2---- 4 jr ~ + 0,888, см3/ 100. |
На основании расчетов по приведенному уравнению по строены кривые (рис. 3 .8 ).
3.3.2. Взаимодействие металла со шлаками
Шлаками называют расплавы неметаллических соединений — оксидов, галлоидов, сульфидов и т. д., как свободных, так и образующих комплексные соединения. В условиях сварки шлаки образуются при расплавлении сварочного флюса, элек тродного покрытия, сердечника порошковой проволоки, а также могут появляться самопроизвольно, например в результате вза имодействия металла с защитной средой.
Химическое воздействие расплавленного шлака на металл шва в значительной степени определяется соотношением в его составе кислых, основных и амфотерных оксидов. Фториды и
хлориды обычно считают химически нейтральными соедине ниями.
Критерием основности (В) или кислотности (К) шлака на основе молекулярной теории строения его служит отношение компонентов, входящих в состав данного шлака:
|
|
(3.28) |
где т, |
q — количество |
кислых и основных оксидов в составе |
шлака |
соответственно; |
(RO),-— концентрация основных окси |
дов в составе шлака, например CaO, MgO, MnO, FeO и т. д.;
(R02) K— то |
же, кислых оксидов, |
например |
Si02, ТЮ2, Zr0 2 |
||
и т. д. |
считаются |
кислыми |
при |
В<1, |
основными — при |
Шлаки |
|||||
В>1 и нейтральными |
— при В=1. |
Эта |
классификация в опре |
деленной мере формальна. Физический смысл понятия основ ности шлака состоит в оценке активности иона кислорода. Чем выше основность шлака, тем больше активность иона кисло рода О-2, т. е. тем больше свободных ионов кислорода.
В настоящее время наиболее часто употребляется формула,
принятая |
Международным институтом |
сварки |
(МИС): |
||
р _ C aO +M gO +B aO +N a2O4-K2O+LiO2+C aF2-f0,5(M nO +FeO ) |
|||||
|
S102 + 0,5 (А 1 А + TiO, + Zr02) |
|
|
||
|
|
|
|
|
(3.29) |
где CaO, |
MgO, A12 0 3, Li02 и т. д.— содержания |
компонентов |
|||
шлака, % |
(по массе). |
|
|
|
|
Имеется более точное выражение этой формулы |
|||||
0,018СаО + 0,015MgO + 0,006CaF2 + |
0,014 X |
|
|
||
в _ |
X (Na2Q + |
к20) + 0,007 (MnO + |
FeO) |
|
|
|
0,017SiO 2 + |
0,005 (А1аОэ + ТЮ2 + |
Zn02) |
' |
(3'30) |
Несмотря на ионную природу шлаков, все расчеты химиче ского взаимодействия между шлаком и металлом преимущест венно базируются на молекулярной теории. Это связано с тем, что большинство термодинамических и металлургических дан ных о взаимодействии шлака и металла построено именно на базе названной теории.
Процессы окисления расплавленного металла и ферроспла вов шлаком можно описать следующими реакциями:
(FeO) + [Mn] |
(MnO) + |
(FeJ; |
|
(3.31) |
|||
2 (FeO) + |
[Si] |
(S i0 |
2) + |
2 [Fe]; |
(3.32) |
||
(Fe2Os) + |
3 [Mn] q* 3 |
(MnO) + |
2 [Fe]; |
(3.33) |
|||
2 (FeO) + |
[Ti] |
(TiOa) + |
2 |
[Fe]; |
(3.34) |
||
(FeaOa) + |
2 [Al] |
(A1,0#) + |
2 |
[Fe]. |
(3.36) |
73
Если в покрытие или керамический флюс введено сразу не сколько ферросплавов, то в первую очередь окисляются эле менты, обладающие большим сродством к кислороду. По сте пени убывания сродства к кислороду элементы, вводимые в со став электродных покрытий, можно расположить в следующий ряд: Ca->-Al-»-Ti->-Si-»-Mn->-Fe.
Для оценки химической активности сварочных шлаков удобнее всего использовать суммарное количество кислорода, участвующего в окислительно-восстановительных реакциях на межфазной границе. Указанный кислород должен быть связан с химическим составом шлака
выражением вида
0,10
|
|
|
[ ° ] = / ( £ |
^ |
) , |
|
( 3 . 3 6 ) |
||
0,08 |
|
|
где |
Ai — относительная химиче |
|||||
|
|
|
|||||||
0,06 |
|
|
ская |
активность оксида, способ- |
|||||
|
|
ного к восстановлению в свароч |
|||||||
|
|
|
|||||||
0,0<* |
|
|
ной |
ванне; |
п — число оксидов в |
||||
|
|
составе шлака, |
способных |
к вос |
|||||
№ |
|
|
становлению |
в |
сварочной |
ванне. |
|||
|
|
С учетом того обстоятельства, |
|||||||
|
|
|
что химическая |
активность |
кис |
||||
0 |
0,1 ОЛ 06 |
08 Ад, |
лого |
оксида |
определяется |
как |
|||
[ в ] |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 3.9. Общее содержание кислорода |
АФк= ( R O 2) / ( 1 |
0 0 B ) , |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|||
в наплавленном металле в зависимо |
а основного оксида |
|
|
||||||
сти от |
химической активности |
флюса |
|
|
|||||
|
|
|
Аф |
|
= ( R O ) |
В/100, |
|
|
|
|
|
|
’о |
|
|
|
|
|
суммарную химическую активность шлака по уравнению (3.39) можно переписать:
|
Аф = |
( R 0 2 ) , + |
B * |
/ ( 1 0 0 В ) , |
( 3 . 3 7 ) |
|
где т и q — количества |
кислых и основных оксидов соответст |
|||||
венно; |
(RO2 ) |
и (RO)— концентрации кислого и основного ок |
||||
сидов в- составе шлака; |
В — основность |
шлака, определяемая |
||||
по уравнению (3.30). |
|
|
||||
|
В |
конкретизированном виде уравнение (3.37) принимает |
||||
вид: |
|
|
|
|
|
|
|
А |
S i 0 2 + |
0 , 5 ( Т Ю 2 ) + |
0 , 4 ( А 1 А + Z r 0 2) + |
0 , 4 2 В « ( М п О ) |
|
|
Ф |
|
|
|
100В |
|
где |
(БЮг), (ТЮг) |
и т. д.— содержание |
компонентов шлака, |
|||
% |
(по массе). |
|
|
|
Корреляционная зависимость содержания кислорода в на плавленном метадЛе от коэффициента относительной химиче ской активности щЛака ПРИ С0арке под флюсом, найденная на основе эксперимен'Гальных Данных, представлена на рис. 3.9.
3.3.3. Влияние фиэик0‘химических реакций на качество металлО шва
В процессе крист0 ллизации сварочной ванны растворимость азота, водорода и кислорода снижается скачкообразно и воз никают предпосылки для обратного их выделения. Это может явиться одним из факторов, способствующих или обусловли вающих появление я развитие пор в металле шва.
Одновременно с изложенным повышение концентрации пе речисленных газов в металле швов может способствовать сни жению механических свойств сварных соединений, образова нию трещин и т. д.
Кислород. Как уже отмечалось, окисление металла приво дит преимущественно к тому, что продукты раскисления реак ций вида (3.23) остаются в закристаллизовавшемся металле в виде мелкодисперсных оксидных включений, повышая общую концентрацию в нем кислорода.
Повышение общей концентрации кислорода в металле швов спо собствует снижению пластично сти и ударной вязкости металла (рис. 3.10). В дополнение
|
|
О |
0,05 |
0,10 |
0,15 Ш , % |
aSa' |
Зависимости пластичности и удар- |
Рис. 3.11. Влияние концентрации азота |
|||
"г” ВЯЗК0Стн металла KCV, швов, выполнен- |
в ннзкоуглероднстой стали на ее ме- |
||||
ных электродами с основным видом покры- |
|
ханнческне |
свойства |
||
тня, |
от общего содержания кислорода |
|
|
|
|
к этому насыщение металла кислородом может явиться одной из причин старения металла шва.
Оксиды по границам зерен снижают ударную вязкость и усталостную прочность. Тонкие пленки оксидов, образующиеся при сварке высоколегированных сталей на поверхности шва, даже в среде защитных газов снижают коррозионную стой кость и их необходимо удалить травлением [7].
Азот. Увеличение концентрации азота в низкоуглеродиетых и низколегированных сталях оказывает существенное влияние на их прочностные и пластические свойства (рис. 3.11). Кри вая растворимости азота в a-железе, находящегося в равнове сии с Fe4 N (см. рис. 3.5), показывает, что азот может явиться одной из причин старения металла шва, сопровождающегося повышением его твердости и снижением пластичности и удар ной вязкости.
Водород. Может самостоятельно или в сочетании с другими факторами приводить к различным дефектам. В ЗТВ или в на плавленном металле при сварке высокопрочных сталей с по вышенным содержанием водорода возможны замедленные хрупкие разрушения. Водород с течением времени после сварки может диффундировать в ЗТВ и таким образом дости гать критической концентрации. Это приводит, например, к об разованию холодных подваликовых трещин [7].
В наплавленном металле, содержащем водород, при быст ром охлаждении могут образоваться микротрещины, снижаю щие усталостную прочность. Если при охлаждении трещины не образуются, снижение выносливости из-за растворенного в стали водорода не наступает до тех пор, пока циклическое нагружение не вызывает пластическую деформацию и тем са мым необратимые повреждения материала.
Глава 4. ТЕРМОДЕФОРМАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ СВАРКЕ (Куркин А. С.)
4.1.Деформации, перемещения и напряжения при сварке
4.1.1.Виды деформаций
В точках детали при сварке возникают температурные дефор мации еа, а также деформации ес, вызванные силовым взаимо действием неравномерно расширяющихся частей детали. При отсутствии внешних нагрузок, приложенных к детали, дефор мации ес могут быть названы с о б с т в е н н ы м и , иногда их на зывают также в н у т р е н н и м и :
вс —8 — ва, |
( 4 . 1 ) |
где |
е — наблюдае'лЫе |
деформации, характеризующие |
измене |
|
ния |
размеров де'ГаЛИ- |
у Равнения связи наблюдаемых |
дефор |
|
маций с перемещениями точек детали приведены 4.3.1.2. |
||||
Деформации |
изменяющиеся в процессе сварки, называются |
|||
в р е ме н н ыми ' |
я остающиеся после остывания детали — о с |
|||
т а т о ч н ы м и |
' Собственные деформации состоят из |
упругих |
||
еупР, пластически* |
и начальных е0 деформаций. |
|
||
ъс = вупр -Ь ерл 4' е °' |
|
(4-2) |
Начальными называются собственные деформации, имев шиеся в детали до сварки. При протекании в металле струк турных и фадовь!* превращений вызванные ими деформации
входят в еа.
4.1.2.Возникновение деформаций и перемещений
4.1.2.1.Продольное деформации и перемещения. В процессе
сварки шов и оКолошовная зона разогреваются до высоких температур Т (рис. 4.1), что вызывает их расширение е0 и
|
Рис. 4.2. Схема |
образования |
поперечной |
||
|
усадки |
при |
однопроходной |
стыковой |
|
|
Vo — зазор |
|
сварке: |
V — перемеще |
|
Рис. 4.1. Схема действия уса |
перед |
сваркой; |
|||
дочной силы в сварном соеди |
ние свободной |
кромки; |
1>св— скорость |
||
нении |
|
|
сварки |
|
|
удлинение детали в направлении оси шва. При этом со стороны менее нагретой части детали на высокотемпературную зону действует реакция, вызывая в ней собственные деформации укорочения ес<0. Высокотемпературная зона составляет не большую часть от поперечного сечения детали, и возникающие в ней собственные деформации укорочения существенно больше, чем деформации удлинения вне зоны шва. Значитель ная часть собственной деформации укорочения в зоне шва
переходит в пластическую деформацию е Пл- После полного осты вания пластическая деформация зоны шва, возникшая при на греве, вызывает сокращение длины детали по сравнению с ис ходным размером до сварки ДПр, называемое продольной усад кой. При этом со стороны шва на деталь действует усадочная сила Рус. На рис. 4.1 показан вид эпюр остаточных упругих и пластических деформаций в шве. Формулы для расчета Рус
приведены в 4.3.1.4. |
|
|
|
|
Расширение |
зоны Шва |
|||||
4.1.2.2. |
Поперечные перемещения. |
||||||||||
при сварке |
происходит также в направлении, перпендикуляр |
||||||||||
|
|
|
ном |
к оси шва. Свободное расшире |
|||||||
|
|
|
ние металла в этом направлении воз |
||||||||
а |
д |
|
можно |
лишь |
при |
сварке |
с |
зазором, |
|||
|
|
|
равным |
сумме максимальных |
свобод |
||||||
|
|
|
ных |
П е р е м е щ е н и й |
КрОМОК |
2 Ушах |
(рис. |
||||
|
|
|
4.2). При меньшей величине зазора |
||||||||
|
|
|
расширению |
зоны шва |
препятствует |
||||||
|
|
|
закрепление |
детали |
и |
заваренная |
|||||
|
|
|
часть |
шва. |
Происходит |
расширение |
|||||
|
|
|
всей |
детали |
на |
величину 2 у рас щ < |
|||||
|
|
|
< 2 Ушах. |
Сокращению |
металла |
при |
|||||
|
|
|
остывании зоны шва также препят |
||||||||
|
|
|
ствуют закрепление и жесткость сва |
||||||||
|
|
|
ренной детали, поэтому |
2 уСОкр<2Утах. |
|||||||
Рис. 4.3. Схемы образования |
Разница |
перемещений |
при |
остыва |
|||||||
угловых |
перемещений 0 |
нии и нагреве дает поперечную усад |
|||||||||
|
|
|
ку: |
|
|
|
|
|
|
|
|
Апоп — 2УСОкр — 2Урасш —A vmax' |
|
|
|
|
(4.3) |
|
|
Значение коэффициента А зависит от наличия зазора, усло вий закрепления, условий сварки, формы и размеров детали. Формулы для расчета утах и А приведены в 4.3.1.4.
4.1.2.3. Другие виды перемещений в зоне шва. При сварке происходят одновременно продольные и поперечные перемеще ния в зоне шва. Их взаимодействие вызывает различные виды сварочных перемещений. Угловое перемещение р (рис. 4.3) происходит вследствие неравномерного по толщине детали по перечного перемещения при асимметричном расположении шва или неодинаковых условиях усадки отдельных частей шва. Смещение в направлении толщины детали Az может быть свя зано с неодинаковым продольным расширением свариваемых цилиндрических деталей при наложении кольцевого шва или с потерей устойчивости листов от расширения в направлении оси шва. Смещение деталей вдоль оси шва Ах связано с их не одинаковым удлинением при нагреве. Например, при сварке тавровых соединений, даже при одинаковой толщине сваривае
мых пластин удлинение стенки примерно в 1,5 раза больше, так как полоса нагрева в полке расположена в середине пла
стины, а в стенке— на краю.
4.1.3. Образование напряжений
Собственные напряжения в сварном шве могут быть времен ными и остаточнЫмиОстаточные напряжения в направлении
оси |
шва |
примерно |
одинаковы |
|
во всех поперечных сечениях, |
|||||||||
кроме |
концов |
швов, |
где |
|
|
|
|
|
|
|||||
они уменьшается Д° О- |
|
|
|
|
|
|
||||||||
Распределение |
|
оста |
|
|
|
|
|
|
||||||
точных |
напряжений |
<Ьст |
|
|
|
|
|
|
||||||
в направления |
вдоль |
оси |
|
|
|
|
|
|
||||||
шва |
в |
металлах |
толщи |
|
|
|
|
|
|
|||||
ной до 20 мм при элек- |
|
|
|
|
|
|
||||||||
тродуговой сварке в |
1—3 |
|
|
|
|
|
|
|||||||
прохода |
при |
отсутствии |
|
|
|
|
|
|
||||||
структурных |
|
превраще |
|
|
|
|
|
|
||||||
ний |
показано |
на |
рис. 4.4. |
|
|
|
|
|
|
|||||
Максимальные |
напряже |
|
|
|
|
|
|
|||||||
ния |
появляются |
в |
шве. |
|
|
|
|
|
|
|||||
В |
низкоуглеродистых |
и |
|
|
|
|
|
|
||||||
аустенитных |
сталях |
они |
|
|
|
|
|
|
||||||
близки |
к пределу текуче |
|
|
|
|
|
|
|||||||
сти |
От- |
В |
титановых |
и |
|
|
|
|
|
|
||||
алюминиевых |
|
|
сплавах |
|
|
|
|
|
|
|||||
они |
составляют |
(0,5— |
|
|
|
|
|
|
||||||
0,8) |
От, причем |
большие |
|
|
|
|
|
|
||||||
значения |
наблюдаются |
Рис. 4.4. Распределение остаточных сварочных |
||||||||||||
при |
увеличении |
мощно |
продольных напряжений в пластинах из различ |
|||||||||||
|
|
ных металлов |
[1]: |
|
|
|||||||||
сти источника |
и скорости |
Н — в |
низкоуглеродистой стали |
СтЗ |
толщиной |
|||||||||
сварки. |
Зона |
растягива |
6=8 |
мм; А —в аустенитной |
стали |
12Х18Н9Т, |
||||||||
6=2 мм; |
Ti — D титановом сплаве |
ОТ4. 6=1.5 мм; |
||||||||||||
ющих |
напряжений |
при |
А1 — в |
алюминиевом сплаве |
АМгб, |
6=10 мм |
||||||||
близительно |
равна |
|
по |
|
|
|
|
же харак |
||||||
ширине зоне |
пластических деформаций 2 Ь„„. Такой |
тер имеет распределение продольных напряжений в много слойных швах.
Поперечные растягивающие напряжения при однопроход ной сварке достигают значительной величины при сварке швов в жестком контуре (при заварке дефектов). При многопроход ной сварке, если происходит взаимный поворот свариваемых деталей, возникают растягивающие напряжения в корне шва. В случае предотвращения углового перемещения в корне шва возникают напряжения сжатия (рис. 4.5).
Трехосные растягивающие напряжения возникают в сред ней части сечения электрошлаковых швов. Величина компонент
напряжения может превосходить <хт. Наибольшее растягиваю щее напряжение действует вдоль оси шва (рис. 4.6).
В соединениях с угловыми швами распределение остаточ ных напряжений, как правило, аналогично распределению на пряжений в стыковом соединении, выполненном тем же спосо бом сварки.
В оболочковых конструкциях продольные прямолинейные швы дают такое же распределение напряжений, как в плоской пластине. В зоне кольцевых швов дополнительно действуют
Рис. 4.5. Поперечные остаточные напряжения |
Рис. 4.6. Напряжения в электрошла- |
|||
в многослойном шве: |
аг |
ковом |
шве: |
Оу — |
С — при сварке незакрепленных пластин; 3 — |
— в направлении |
толщины; |
||
при сварке с предотвращением угловых пере |
в направлении ширины пластины; |
Ох -г- |
||
мещений; <тпов — напряжения на поверхности; |
|
вдоль оси шва |
|
|
б — толщина пластины |
|
|
||
|
|
|
|
|
напряжения от сокращения металла |
в окружном |
направлении |
и от изгиба. В результате уменьшаются напряжения вдоль оси шва, а в поперечном направлении напряжения с внутренней стороны оболочки являются растягивающими, а с внешней — сжимающими.
При многопроходной сварке с разделкой наружу оболочки в кор'Пе шва образуются поперечные напряжения растяжения, при разделке внутрь оболочки — напряжения сжатия. Круго вые швы в плоских пластинах имеют напряжения вдоль оси шва примерно такие же, как в прямолинейных швах. Попереч ные (радиальные) напряжения в них тем выше, чем меньше радиус шва.
В точечных и электрозаклепочных соединениях в централь ной части компоненты напряжений в плоскости соединения яв ляются растягивающими. В низкоуглеродистых и аустенитных сталях они равны <гт, в титановых и алюминиевых сплавах не сколько меньше от. В основном металле вблизи сварного со единения радиальные напряжения растягивающие, а окруж ные— сжимающие. В стержнях, сваренных стыковой контакт-
ной сваркой, в средней части имеется область трехосного
растяжения, возрвстающего с увеличением диаметра стержней, на поверхности -_напряжения сжатия.
Остаточные Марряжения достаточно стабильны во времени. Даже при нагфял<£ниях>близких к ат, релаксация напряжений протекает медлен*10 и составляет лишь несколько процентов. Величина пластик01*0” остаточной деформации в бездефект ных стыковых сосДинениях
сталей составляе1, *—2%. При наличии коНцентРат0' ров пластические деформа
ции могут составЛ11ть десят‘ ки процентов и вызывать
разрушение.
4.1.4. Влияние фазОвых превращений на деформации и напряжения
Фазовые |
и |
СтрУктУРные |
|
|
|
|||||
превращения |
при |
нагреве и |
|
|
|
|||||
охлаждении |
|
сопровожДают‘ |
|
|
|
|||||
ся |
дополнительным |
расши |
|
|
|
|||||
рением |
или |
сокрвщевнем |
|
|
|
|||||
металла |
и |
изменением |
его |
|
|
|
||||
свойств. |
В |
случае заверше |
|
|
|
|||||
ния превращений |
ПРИ высо |
|
|
|
||||||
ких температурах они влия |
|
|
|
|||||||
ют |
только |
|
на |
временные |
околошовной зоне |
при |
сварке пластин из |
|||
напряжения. Поэтому оста |
||||||||||
точные |
напряжения |
в |
ста |
Рис. 4.7. Остаточные напряжения в шве и |
||||||
мартенситной |
стали: |
|||||||||
лях |
перлитного класса |
при |
сталь; б — присадочный |
металл — аустенит |
||||||
мерно такие |
же, |
как |
в |
ау |
а — присадочный |
металл — мартенситная |
||||
ная сталь |
|
|||||||||
стенитных. |
При |
низкотем |
|
|
|
|||||
пературных |
|
структурных |
|
|
|
превращениях (мартенситное превращение стали) возможно
возникновение |
чередующихся |
полос растяжения |
и сжатия |
|
в шве и околошовной зоне, а |
также образование |
остаточных |
||
напряжений сжатия в шве и |
растяжения |
в остальной части |
||
детали (вместо |
усадки может |
происходить |
удлинение детали). |
Существенно изменяется распределение напряжений при при менении сварочных материалов, отличающихся от основного металла (рис. 4.7).