5. Свариваемость. Основные понятия и общие сведения
С в а р и в а е м о с т ь, в соответствии с ГОСТ 29273, характеризует свойство металлов или сочетания металлов образовывать при установленной технологии сварки соединение, отвечающее требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией изделия.
Степени свариваемости. Если требования к сварному изделию, обусловленные его конструктивным исполнением и особенностями эксплуатации, удовлетворяются при установленной технологии получения сварных соединений, то свариваемость использованных материалов считается д о с т а т о ч н о й. В случае если хотя бы одно из предъявляемых требований не удовлетворяется, свариваемость – н е д о с т а т о ч н а я.
В сварочной практике часто различают ряд степеней свариваемости: хорошая, удовлетворительная, ограниченная и плохая.
Х о р о ш а я свариваемость соответствует понятию достаточной свариваемости.
Недостаточная свариваемость может быть удовлетворительной, ограниченной или плохой. Если для обеспечения достаточной свариваемости необходимо применение рационального режима сварки, то свариваемость является у д о в л е т в о р и т е л ь н о й. При необходимости применения для указанной цели специальных технологических мероприятий или изменения способа сварки свариваемость считается о г р а н и ч е н н о й. В случае когда достаточную свариваемость невозможно обеспечить никакими мерами, свариваемость называют п л о х о й
6. Трещины в сварных соединениях сталей. Причины возникновения и методы предупреждения
Для сварных соединений характерны следующие типы трещин: горячие, холодные, ламилярные (слоистые) и трещины повторного нагрева.
Горячие трещины (другое, устаревшее к настоящему времени название – кристаллизационные трещины) – это хрупкие межкристаллитные разрушения металла шва и зоны термического влияния, возникающие в твердо-жидком состоянии, а также в твердом состоянии при высоких температурах.
Горячие трещины образуются в температурном интервале хрупкости (ТИХ). Таких температурных интервалов хрупкости три (например, в низкоуглеродистых сталях они располагаются, один, сменяя другой, в температурном интервале от 1400-900оС).
Можно выделить две основные причины образования горячих трещин:
– пребывание металла в ТИХ;
– наличие высокотемпературных деформаций (из-за неравномерного нагрева или охлаждения изделия, действия нагрузок от зажимных устройств сварочных приспособлений и т.п.).
Горячие трещины имеют "зигзагообразный" вид. Разрушение металла носит межзеренный характер, в изломе видно высокотемпературное окисление стенок.
Меры предотвращения появления горячих трещин в углеродистых и низколегированных сталях:
1. Регулирование химического состава металла шва с целью повышения его пластичности при пребывании в ТИХ. На практике это достигается
– при использовании сварочных проволок с пониженным содержанием углерода, минимальным содержанием серы и фосфора и легированных марганцем, хромом, титаном и ванадием;
– использование сварочных процессов, обеспечивающих рафинирование металла сварочной ванны по сере;
– применение мероприятий по снижению содержания водорода в металле шва.
2. Регулирование величины и скорости нарастания растягивающих напряжений в ТИХ. На практике это достигается
– применением предварительного подогрева, например, при сварке стали 30ХГСА это 250-300оС (предварительный подогрев отделяет момент перехода сжимающих сварочных напряжений в растягивающие в сварном шве в область более низких температур, чем температуры ТИХов);
– создание благоприятной формы сварного шва, при которой оси кристаллитов ориентированы так, чтобы в максимальной степени сопротивляться действию растягивающих напряжений при пребывании в ТИХ. Это наблюдается в сварных швах, имеющих ширину, превышающую глубину проплавления, что достигается, например, при подготовке кромок под сварку со скосом двух кромок, с криволинейным или с ломаным скосом двух кромок;
– использованием рациональной последовательности наложения сварных швов.
Холодные трещины. К холодным трещинам относят трещины, образующиеся в шве или в зоне термического влияния в процессе охлаждения после сварки при температуре ниже 150С, или в течении последующих нескольких суток.
Холодные трещины (XT) имеют в изломе блестящую поверхность без следов окисления. Их очертания трещин близки к прямым или к лекальным кривым. Размеры холодных трещин соизмеримы с размерами зон сварного соединения.
В соответствии с геометрическими признаками и характером излома ХТ называют:
а – "откол"; б – "отрыв"; в – "частокол", г – продольные в шве
К образованию холодных трещин склонны углеродистые (45, 55 и др.) и легированные (10ХСНД, 30ХГСА, 12ХМА, 20Х13 и др.) стали, некоторые титановые (технический титан, ВТ22 и др.) и алюминиевые сплавы (ВТ96 и др.).
Характерные особенности большинства случаев образования XT:
– наличие инкубационного периода до образования очага трещины;
– образование трещин происходит при значениях напряжений, составляющих менее 0,9 кратковременной прочности материалов в состоянии после сварки.
Факторами, обусловливающими образование XT, является наличие высокого уровня остаточных напряжений (особенно в случае закалки металла изделия в процессе сварки) и присутствие водорода в очаге разрушения.
Способность водорода вызывать появление холодных трещин, объясняется, например, гипотезой молекулярного давления. Согласно данной гипотезе, атомарный диффузионный водород диффундирует из-за разницы концентраций в имеющуюся в металле пору (пустую, или заполненную СО). На поверхности поры атомарный водород превращается в молекулярный. Так как молекулярный водород не изменяет начальной, равной нулю, концентрации атомарного водорода в поре, то процесс диффузии атомарного диффузионного водорода из металла к поре продолжается. В результате газостатическое давление молекулярного водорода в поре постоянно растет и по достижении значений 106-107 атмосфер вызывает надрыв металла, являющийся очагом холодной трещины.
|
Схема образования зародыша ХТ (надрыва) |
Образовавшиеся надрывы в дальнейшем растут под действием остаточных напряжений в макроскопические трещины.
Меры предотвращения холодных трещин при сварке сталей:
1. Предварительный или сопутствующий подогрев (подогрев снижает скорость охлаждения сварного соединения, и закалки металла не происходит). Температура подогрева зависит от состава металла и его толщины, например, при сварке стали 08Х13 температура предварительного подогрева составляет 150-250оС.
2. Использование мероприятий по снижению концентрации водорода в сварном шве.
3. Послесварочная термическая обработка (высокий отпуск или нормализация для низколегированных сталей). Для уменьшения вероятности образования холодных трещин термическую обработку желательно проводить непосредственно после сварки, не допуская расхолаживания изделия после сварки и, тем более, их пролеживания перед термической обработкой.
Ламелярные трещины. Ламелярные (слоистые) трещины – это трещины в зоне термического влияния в угловых и тавровых соединениях из низколегированных сталей мартеновской и конвекторной плавки:
.
Данные трещины параллельны поверхности деталей (возможен выход на поверхность) и имеют ступенчатый или каскадный характер. Визуально трещины наблюдаются после окончания сварки, и завершения охлаждения изделия. Излом трещин хрупкий (блестящий и ровный).
Ламелярные трещины возникают в дефектном основном металле, который содержит плоские неметаллические включения, типа сульфидов и силикатов. Под действием термодеформационного цикла сварки такой металл расслаивается.
Меры предотвращения: использование качественного основного металла.
Трещины повторного нагрева образуются в процессе высокого отпуска в сварных соединениях или при многослойной сварке в корневом проходе. Трещины возникают в легированных сталях системы Cr-Mo-Va. Растрескивание происходит при температуре от 500 до 700оС. Трещины образуются в зоне термического влияния в ее участках, имеющих увеличенные размеры зерен.
Появление трещин повторного нагрева обусловлено особенностями процесса снятия остаточных напряжений в сталях данного типа.
Примечание: Механизм образования трещин повторного нагрева. При температуре от 500 до 700 градусов в теле зерна выделяются карбиды Cr, Mo,Va. В результате зерно упрочняется, а по границам зерен развивается пластическая деформация, обусловленная процессом снятия остаточных напряжений. При этом в местах наличия растягивающих микронапряжений (по границам зерен) возникают надрывы, развивающиеся далее в трещину.
Меры предотвращения:
– отказ от использования послесварочной термической обработки изделия при температуре 500-700 оС;
– неприменение многослойной сварки.