книги / Сварка при низких температурах

(например, на образцах Менаже), то обычно влияние собственных напряжений на прочность не учитывали из-за их незначительно­ сти. В тех же случаях, когда исследования проводили на крупных образцах или на элементах конструкций отмечалось влияние собственных напряжений и концентрации напряжений на проч­ ность сварных соединений.

Практика эксплуатации сварных конструкций показывает, что в ряде случаев на их прочность сварочные напряжения оказывают первостепенное влияние. Наблюдаются случаи разрушения отдель­ ных сварных конструкций (например, пустых сварных резервуа­ ров) без приложения внешних усилий. Температура, при которой производится сварка, оказывает значительное влияние на величи­ ну возникающих остаточных напряжений и деформаций. Следует, правда, иметь в виду, что даже высокие остаточные напряжения при отсутствии в сварном соединении концентраторов напряже­ ний не представляют опасности для работы конструкции. Но так как в реальных сварных конструкциях почти всегда имеются кон­ центраторы напряжений, которые вызываются либо различными дефектами сварного шва, либо конструктивными недостатками, то остаточные напряжения являются фактором, способствующим хрупкому разрушению сварного соединения. .Исследования по

111

определению остаточных напряжений в сварных соединениях, про­ веденные во ВНИИСТе при температурах от +12 до —35°С по­ казали, что можно избежать возникновения повышенных остаточ­ ных напряжений путем проведения сварки с повышенной погонной энергией. При понижении температуры на каждые-10°С при сварке на морозе рекомендуется повышать значения погонной энергии

полненных как при положительных, так и отрицательных темпе­ ратурах (конкретно до минус 35° С) остается практически по­ стоянной и не оказывает влияния на работу сварных конструкций.

ВЛИЯНИЕ ВОДОРОДА НА КАЧЕСТВО СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ, ВЫПОЛНЕННЫХ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

Как указывалось выше, повышение скорости охлаждения ме­ талла сварочной ванны при низких температурах приводит к по­ вышенному содержанию в нем водорода, азота и кислорода. Осо­ бенно вредно влияет повышенное содержание водорода, которое в швах, выполненных при низких температурах, возрастает более чем в 2 раза. Наличие водорода ведет к образованию трещин и .пони­ жению вязкости металла шва. Влияние водорода на прочность сварных швов объясняют тем, что водород растворяется в аусте­ ните больше, чем в феррите, а поэтому при превращении аустенита водород выделяется из него. Если процесс происходит при высо­ ких температурах, то водород выделяется из металла. При низких температурах растворенный -водород остается в металле и вызы­ вает напряжения второго рода, которые приводят к образованию трещин, так как давление водорода в пустотах металла достигает 20 000 кГ1см2,

Уинтертон (Канада) [168], указывает на то, что микротрещины в металле сварного шва образуются при условии быстрого охлажде­ ния. Он считает, что образование микротрещин в какой-то степени зависит от количества водорода в сварном шве, оставшегося в нем при охлаждении до 100° С. Критическое содержание водорода определяется 10—30 смъ на 100 г наплавленного металла. Уинтер-

инициаторов хрупкого разрушения. Им высказано мнение, что флокены в металле являются результатом раскрытия микротрещин под действием водорода и внешних растягивающих напряжений. Опыты проводились на образцах из малоуглеродистой стали; приу менявшаяся методика позволяла наблюдать трещины длиной 0,0002 мм. Было отмечено также влияние на количество микротре­ щин даже небольших колебаний исходной температуры образца.

112

Сравнительно малые изменения температуры образца влияют на

расчеты количества водорода, выделяющегося из охлаждающегося металла наплавки и построены теоретические кривые для различ­ ных образцов. Установлено, что геометрия соединения, обеспечи­ вающая лучший отвод тепла, уменьшает выход водорода, а подо­ грев дает возможность водороду выделяться при относительно низ­ ких температурах. Замечено, что короткая изотермическая выдерж­ ка в интервале 700—1000° С достаточна, чтобы уменьшить количе­ ство микротрещин. Показано, что при очень высокой скорости охлаждения непосредственно после сварки склонность к образова­ нию микротрещин снижается; это объясняется тем, что водород не успевает продиффундировать в точки слабины до достижения кри­ тической температуры.

Исследования, проведенные во ВНИИСТе, показали, что авто­ матическая сварка при низкой температуре по предварительной подварке свариваемых кромок с применением электродов марки ОММ-5 вызывает в наплавленном металле образование водорода от 49 до 62 см3 на 100 г. Такое содержание водорода вызывает по­ ристость шва. При применении для сварки электродов основного типа, например марки УОНИ-13/45, содержание водорода в на­ плавленном металле снижается до 10—19 смг на 100 г, швы полу­ чаются беопористые.

Влияние типа электрода на образование микротрещин в на­ плавленном металле исследовал также Уинтертон. Были испытаны электроды 15 промышленных марок. Микротрещины были получе­ ны даже в наплавке, выполненной низководородными электрода­ ми с покрытием основного типа. Анализируя механизм образова­ ния микротрещин, Уинтертон отводит основную роль водороду и неметаллическим включениям. Водород, по его мнению (не разде­ ляемому многими исследователями), не в состоянии охрупчивать сталь в заметной степени при нормальной температуре, так как он свободно диффундирует через кристаллическую решетку. Хруп­ кость развивается благодаря давлению водорода в . результате скопления его в пустотах и раковинах внутри металла. Микротре­ щины образуются при раскрытии этих полостей под действием на­ пряжений.

Обстоятельные исследования о распределении водорода в свар­ ных соединениях проведены также советскими учеными в ряде научно-исследовательских институтов {2]; [96]; [137].

Лефевр [87] во Франции также занимался исследованиями со­ держания водорода в сварных соединениях малоуглеродистой ста­ ли в зависимости от условий выполнения сварки. Рассматривалось влияние следующих факторов на содержание водорода в металле шва: влажность покрытия, влажность воздуха, температура шва. интервал времени между проходами при многослойной сварке, дегазация при комнатной температуре и дегазация после нагрева

до различных температур. Оказалось, что влияние влажности по­ крытия существенно отражается на электродах с основным покры­ тием. Общее содержание водорода возрастает с 1,5 до 11 см3 на 100 г металла (при влажности, равной 9%). Влажность окружаю­

слойной сварке; характер снижения содержания водорода на каж­ дые 100 г наплавленного металла следующий:.

комнатной температуре составляет около 100 ч независимо от типа электрода. Для снижения содержания водорода Лефевр рекомен­

быстрого наложения валиков один за другим (желателен интервал в 10 мин), производить отжиг сварной конструкции в интервале 600—700° С.

Международным институтом сварки создан специальный под­ комитет под названием «Водород в наплавленном металле», кото­ рый координирует научно-исследовательские работы по этой проб­ леме в ряде стран. Им определена рекомендательная методика оп­ ределения общего содержания водорода в наплавленном металле на основе предварительных исследований, проведенных в лабора­ ториях Англии и Норвегии с испытанием металла, наплавленного электродами с низким содержанием водорода и рутиловыми элек-

. тродами.

Хопкинс установил, что водород может попадать в расплав­ ленный металл сварочной ванны из покрытия электродов и затем перемещается к поверхности шва и к основному металлу, образуя трещины, поры и другие дефекты. Для образования газовых пузы­ рей водород должен соединиться с другими элементами, чаще все­ го с серой.

От содержания водорода и скорости охлаждения зависит чис­ ло трещин в наплавленном металле. Газовые пузыри и флокены обычно получаются при сварке высокоуглеродистых и леги­ рованных сталей рутиловыми, основными и рутилоорганическими электродами. Хотя механизм образования дефектов сварки под действием водорода пока окончательно не установлен, но предпо­ лагается, что он направляется к ослабленным точкам кристалли-

114

ческой решетки, и там приобретает молекулярную форму. При растяжении пробных образцов водород способствует внезапному хрупкому разрыву.

Гриффин [37] (США) объясняет возникновение холодных тре­ щин: 1) адсорбцией водорода и его последующей диффузией из расплавленного металла в основной, в связи с чем в микрообъемах металла на границах зерен развивается высокое давление; 2) воз­ никновением и развитием объемных напряжений вследствие пре­ вращения аустенита при сравнительно низкой температуре и по­ следующего превращения аустенита в течение длительного време­ ни после охлаждения сварного соединения; 3) развитием весьма высоких остаточных (реактивных) ' напряжений, обусловленных жесткостью сварного соединения.

Надрывы и трещины первоначально возникают очень корот­ кие, располагаются 'по границам зерен в процессе охлаждения или при последующем вылеживании сварных деталей. Предупреждению холодных трещин способствует предварительный подогрев при сварке, устраняющий закалку и снижающий напряжения.

Вследствие повышенной диффузионной проницаемости водоро­ да с течением времени происходит его выделение с поверхностных слоев металла шва в окружающий воздух, в результате чего по­ нижаются напряжения в металле. Высокую степень диффузии во­ дорода подтверждают данные Г. Л. Петрова о понижении содер­ жания водорода в рельсовой стали с 3,4—3,6 см3 на 100 г до 0,3— 0,4 см3 на 100 г после вылеживания сварных деталей в течение

1,5—2 -месяцев [137].

Еще более значительные улучшения пластических свойств сварных соединений были замечены после вылеживания в течение нескольких месяцев. Угол загиба возро сс 15 до 120°. Этим, очевид­ но, объясняется и тот факт, что в сварных конструкциях, изготов­ ленных при низких температурах, трещины обычно образуются ли­ бо непосредственно в процессе сварки, либо вскоре по ее оконча­ нии и главным образом при понижении температуры окружающе­ го воздуха. С течением времени в связи с диффузией газов, осо­ бенно водорода, напряженное состояние понижается и швы рабо­ тают более надежно. I

ВЛИЯНИЕ НИЗКОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ НА СОДЕРЖАНИЕ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ВКЛЮЧЕНИИ И ГАЗОВ В МЕТАЛЛЕ ШВА j

ВНИИСТом определялось содержание кислорода (в виде бкис* лов) и других газов в металле сварного шва в зависимости от из-} менения начальной температуры основного металла при сварк0

CHVWOI

кислорода в металле сварного шва; при сварке в два слоя и сварке с применением низколегированной проволоки количество раство­ ренного кислорода уменьшается.

Другая серия опытов проводилась с целью определения содер­ жания газов в металле швов, выполненных при различных темпе­ ратурах (фиг. 40).

При понижении температуры металла при сварке количество водорода и азота увеличивается в 1,5—3 раза и более, особенно значительное повышение наблюдается при температуре ниже —20° С.

В этом случае также замечено влияние выбранной технологии: при сварке в два слоя даже при температуре металла —35°С ко­ личество газов возрастает не более чем в 1,5 раза, в то время как при однослойной сварке — в 3,5 раза. Применение низколегирован­ ной проволоки и повышенных режимов сварки значительно сокра­ щает содержание газов в металле шва. Что касается содержания газообразного кислорода в металле шва, то оно (равное примерно 0,09—0,11%) не изменяется с понижением температуры.

Металлографические исследования металла шва малоуглеро­ дистой кипящей стали МСт.З, выполненного на постоянном и пе­ ременном токе с использованием разных марок электродной про­ волоки под флюсом марки АН-348 и керамическим флюсом марки КВС-19, подтвердили целесообразность выполнения сварки на вы­ соких режимах, так как в этом случае количество неметаллических включений и их размеры уменьшаются. Применение для сварки низколегированной электродной проволоки (марганцовистой, мар­ ки Св10Г2 и молибденовой, марки Св12М) обеспечивает получение мелкозернистой структуры швов. Можно применять и обычную малоуглеродистую проволоку, используя керамический флюс мар­ ки КВС-19, разработанный во ВНИИСТе, так как в этом случае в металле шва отсутствуют неметаллические включения. Керами­ ческий флюс марки КВС-19 содержит повышенное количество мар­ ганца и алюминия, которые требуются для процессов раскисления металла сварочной ванны при низких температурах. Сварные швы, выполненные под керамическим флюсом на переменном токе при —35° С, получались без пор. Швы, выполненные при —50° С на постоянном токе, имели ударную вязкость 5,3 кГм/см2, в то время как швы, выполненные под флюсом марки АН-348А, имели удар­ ную вязкость 2,5 кГм/см2.

Установлено, что на количество неметаллических включений в металле швов малоуглеродистой стали существенно влияет тип сварного соединения.

Наибольшее количество включений получается в тавровых и нахлесточных швах, наименьшее в стыковых. Для получения наи­ более плотного металла сварного шва рекомендуется сохранять отношение высоты шва к его ширине равным 0,4—0,6, высоту слоя в случае многослойной сварки или высоту шва принимать не менее 5—6 мм.

117

ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ СВАРКИ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ, ПРОВЕДЕННЫЕ ВО ВНИИСТЕ

На фиг. 41 приведен график, показывающий устойчивые и вы­ сокие значения ударной вязкости сварных соединений, выполнен­ ных двухсторонней автоматической сваркой при температурах до

с двух сторон на постоянном токе. Удовлетворительные результа­ ты получаются при однослойной сварке с использованием марган­ цовистой электродной проволоки 'марки Св10Г2. Автоматическая сварка на переменном токе под флюсом марки Св08, так и мар­ ганцовистой проволоки не может обеспечить удовлетворительного качества сварных соединений ввиду пористости металла шва.

118

Б. П. Баранов и Р. А. Козлов [11] «получили результаты (не со­ гласующиеся с выводами ВНИИСТа) о влиянии характера тока на качество шва при сварке. Испытания образцов, выполненных ав­ томатической сваркой под флюсом марки АН-42 электродной про­ волокой марки 10ГСМТ/ЭИ-581 из хромоникельмолибденванадие'- вой стали толщиной 32 мм с двухсторонней подготовкой кромок

показали, что в интервале температур +40—60° С хладноломкость сварных швов, полученных на переменном токе, примерно на 5° С выше, чем на постоянном. Исследователи объясняют это обстоя­ тельство более дезориентированной структурой металла шва при сварке на переменном токе по сравнению со сваркой на постоян­ ном токе. Это мнение, однако, не поддерживается многими иссле­ дователями. Этот вопрос, очевидно, нуждается в дальнейшей про­ работке. Хотя исследование сварки в зимних условиях и выполня­ лось М. П. Анучкиным применительно к изготовлению резервуаров и трубопроводов, многие основные положения этой работы вполне могут быть применены и в других отраслях промышленности: транспорта и строительства, где необходимо производить свароч­ ные работы при низких температурах.

СВАРКА ПРИ РЕМОНТЕ ПАРОВЫХ КОТЛОВ В ЗИМНИХ УСЛОВИЯХ

На речном транспорте часто приходится производить ремонт судовых котлов в зимних условиях. Действующие правила Регист­ ра СССР о применении сварки в судостроении и судоремонте до­ пускали сварку без специальных мероприятий только при темпе­ ратурах не ниже —5° С. Вместе с тем Регистр не указывал кон­ кретно, в чем должны заключаться особые меры, проведение ко­ торых устраняло или понижало бы отрицательное влияние низ­ ких температур при сварке. (Следует отметить, что при ремонте судовых котлов на практике приходится встречаться с котлами, из­ готовленными еще в конце прошлого века. Материал, из которого были изготовлены эти котлы, в результате длительной эксплуата­ ции, претерпел значительные изменения, понижающие его механи­ ческие свойства, а иногда вызывающие изменения химического со­ става.

Все это создает весьма трудные условия проведения сва­ рочно-ремонтных работ. Эти трудности возрастают еще и в связи с тем, что раньше длительное время котлы изготовляли обычно из кипящей стали).

А. И. Пащенко [133], проведя исследовательскую работу фло­ та) совместно с Институтом электросварки, им. Е. О. Патона и рядом судоремонтных заводов, разработал технологию ручной многослойной сварки при ремонте судовых котлов. Особенностью этой технологии является сварка по пучку легированных приса­ дочных проволок. При этом методе в основание разделки шва укладывается пучок, состоящий из 3—5 электродных проволок диа­ метром 2—3 мм, легированных марганцем, алюминием или други-

120