Общие сведения о свариваемости




Свариваемость конструкционных углеродистых и легированных сталей можно определить как способность стали переносить тепловой режим при том или ином сварочном процессе без образования в соединении участков металла с пониженными пластическими свойствами, способствующими возникновению трещин при сварке конструкций или разрушению сварных соединений в эксплуатации. Рассматриваемая группа материалов относится к закаливающимся сталям, в сварных соединениях которых под действием термического цикла сварки могут образовываться хрупкие и малопластичные зоны в участках, где металл нагревается до температур выше точки Ас3. Распад аустенита при охлаждении в условиях сварочного термического цикла начинается при более низких температурах и в некоторых случаях полностью не заканчивается даже при остывании до 20 °С; при этом в структуре металла наряду с мартенситом остается нестабильный остаточный аустенит (в зависимости от уровня легирования). Стали, склонные к резкой закалке, имеющие в результате термического цикла сварки структуру мартенсита и остаточного аустенита при повышенной концентрации водорода, при воздействии внутренних напряжений чувствительны к образованию холодных трещин. Наиболее часто холодные трещины образуются в швах и околошовной зоне среднеуглеродистых и легированных сталей перлитного и мартенситного классов, свариваемых проволокой, состав которой близок к составу основного металла. Холодные (закалочные) трещины возникают как в интервале температур образования мартенсита (250 °С и ниже), так и после полного остывания сварного изделия, спустя некоторое, иногда значительное время после сварки (через 24—48ч). Чем выше температура распада аустенита, грубее структура мартенсита, выше уровень внутренних сварочных и структурных напряжений, тем вероятнее образование холодных закалочных трещин. С увеличением толщины свариваемого металла возможность образования закалочных трещин возрастает.

Элементы, снижающие температуру мартенситного превращения, усиливают склонность металла к образованию холодных закалочных трещин. К таким элементам прежде всего относится углерод. В среднелегированных сталях температура мартенситного превращения снижается при повышении содержания марганца, никеля, хрома, молибдена и др. О свариваемости применительно к ее чувствительности к закаливаемости ориентировочно судят по коэффициенту эквивалента углерода для различных легирующих элементов:

Сэкв=[С+Мn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15]

где символы – химический элемент, содержание его в стали, % масс.

Стали с эквивалентом по углероду более 0,45 склонны к образованию трещин при сварке. Однако этот критерий не является основанием для неприменения стали в сварной конструкции. При одном и том же показателе Сэкв стали с большим содержанием углерода имеют более высокую чувствительность к холодным трещинам, чем сложнолегированные стали с меньшим содержанием углерода. Образование холодных трещин спустя некоторое время после полного остывания сварного соединения. Замедленное разрушение связано с фиксированием нестабильного остаточного аустенита в структуре мартенсита при быстром остывании участков сварных соединений, нагревающихся при сварке выше точки Ас3. Остаточный аустенит с течением времени распадается при 20 °С. Интенсивность этого процесса усиливается при охлаждении ниже 0 °С. При сварочном цикле создаются благоприятные условия для образования остаточного аустенита вследствие повышенной гомогенизации твердого γ-раствора при нагреве до высоких температур и высокой скорости охлаждения. Кроме того, объемные напряжения сжатия, возникающие в шве и прилегающей зоне основного металла при образовании мартенсита, затормаживают процесс мартенситного превращения и могут способствовать сохранению еще большего количества остаточного аустенита. При распаде остаточного аустенита с увеличением объема образуется хрупкая структура неотпущенного мартенсита, что вызывает дополнительные структурные напряжения, кроме сварочных, в области хрупких структур шва и околошовной зоны. Вследствие увеличения микрообъемов металла при распаде остаточного аустенита происходит зарождение и развитие трещин в ранее образовавшемся мартенсите. Чем грубее структура первичного мартенсита, тем она более хрупка, и образование трещин более вероятно.

Когда сварной шов выполняют в условиях жесткого закрепления свариваемых деталей, в шве после остывания развиваются высокие растягивающие напряжения от реакции заделки. Суммарное воздействие растягивающих сварочных напряжений I рода и структурных напряжений, возникающих в результате распада остаточного аустенита при 20 0С, в критических случаях приводит к появлению трещин с течением времени. Этот эффект усугубляется наличием различных концентраторов напряжений: подрезами, непроварами, включениями, резкими переходами в проплаве и т. д. Образованию трещин с течением времени способствует водород, растворенный в металле; он затормаживает распад аустенита и снижает точку мартенситного превращения стали. Избыточный водород, растворенный в металле, с распадом аустенита, постепенно выделяясь в несплошности структуры в виде молекулярного водорода, создает местные внутренние давления, облегчающие возможность образования микротрещин.

Образование хрупкой структуры мартенсита является необходимым, но не всегда достаточным фактором для реального появления трещины. Необходимо наличие и других факторов — растягивающих напряжений, остаточного аустенита и избыточного водорода. Многие конструкции свариваются и надежно эксплуатируются (особенно из низкоуглеродистых легированных сталей) при наличии структуры мартенсита в сварном соединении, если устранены концентраторы напряжений в хрупкой зоне или созданы благоприятные условия в сварном соединении, снижающие чувствительность конструкций к концентрациям напряжений (применены аустенитные присадки, обеспечивающие аустенитную структуру шва с высокой пластичностью, или поверхностная обработка путем наклепа).

Образование холодных трещин при сварке закаливающихся сталей уменьшается:

1) при выборе способа и технологии сварки, обеспечивающих отсутствие грубодендритной закалочной структуры литого металла шва, минимальном перегреве зоны термического влияния и минимальных дополнительных растягивающих напряжениях при остывании шва за счет реакций связей;

2) при сварке с применением подогрева, уменьшающего вероятность образования закалочных структур;

3) при снижении содержания водорода в сварном соединении;

4) при отпуске после сварки.

Применение специальных присадочных проволок и флюсов, многослойной сварки, колебательных движений электрода при автоматической сварке, импульсного режима сварочного тока (при малых толщинах металла), подбор оптимальных режимов сварки позволяют обеспечить более равноосную зернистую структуру металла шва и предупредить чрезмерное развитие зоны перегрева основного металла с крупнокристаллической структурой.

Метод сварки влияет на склонность сварных соединений к образованию холодных замедленных трещин. Для среднелегированных сталей методы сварки по возрастанию сопротивляемости сварных швов к образованию холодных трещин можно расположить в следующем порядке: автоматическая сварка под кислыми флюсами (АН-348-А и др.), ручная дуговая сварка электродами типа УОНИ-13 (УОНИ-13/45; УОНИ-13/85), сварка в СО2, аргонодуговая сварка.

Обеспечение при сварке изделий свободной усадки сварных соединений с помощью рациональной конструкции, порядка наложения сварных швов, применения приспособлений, создающих сжимающие напряжения в сварном соединении при остывании, позволяют снизить реактивные растягивающие напряжения в сварных соединениях. Например, при сварке фланцев (рисунок 1,а) хороший эффект обеспечивает предварительный выгиб кромок листа для компенсации усадки (рисунок 1,б), замена сварки плоским кольцевым швом сваркой по отбортовке (рисунок 1,в), запрещение применения сварки угловыми швами (рисунок 1,г). Предварительный или сопутствующий подогрев с целью предупреждения образования закалочных структур следует производить лишь в крайних случаях и для деталей с небольшим протяжением сварных швов, так как поддержание с достаточной точностью заданной температуры подогрева по всей длине шва в течение всего процесса сварки является трудно осуществимым, а условия работы сварщика становятся весьма тяжелыми; все это делает технологический процесс нестабильным. Подогрев осуществляют газовыми горелками и с помощью ТВЧ посредством индукторов. Температуру в пределах 100—500 °С контролируют цветными термокарандашами.

Рисунок 1. Типы сварных соединений штуцеров

Снижение содержания водорода в металле шва для предупреждения холодных трещин обеспечивается применением осушенных защитных газов, низководородистых электродов (основного типа), прокаливанием их и флюсов перед сваркой. При газоэлектрических методах сварки (сварка в СО2, в аргоне и др.) влажность газов необходимо контролировать. Следует применять сухие газы с точкой росы не выше — 50 °С, так как влажные газы резко повышают склонность сварных швов к образованию холодных трещин. При ручной дуговой сварке сталей с пределом текучести более 700 МПа содержание влаги в покрытии не должно превышать соответственно 0,2 и 0,1%.

Эквивалентное содержание углерода влияет на критическое содержание водорода в металле конструкционных легированных сталей. Чем выше содержание углерода и других элементов, понижающих температуру мартенситного превращения, тем при меньшем содержании водорода образуются трещины.

Отпуск сварных конструкций снимает остаточные сварочные напряжения, улучшает структуру и свойства металла шва, снижает твердость закаленных зон сварного соединения и устраняет опасность образования холодных трещин со временем. Перерыв между началом сварки и термической обработкой устанавливают различный (от 30 мин до нескольких часов) в зависимости от марки стали и склонности ее сварных соединений к замедленному разрушению. В тех случаях, когда немедленное проведение высокого отпуска (местного с помощью ТВЧ или общего в печи) затруднено, применяют предварительно низкий стабилизирующий отпуск при 250—300 °С с последующим высоким отпуском в печи. В некоторых случаях последующий высокий отпуск не применяют, если механические свойства соединений удовлетворяют эксплуатационным требованиям.

Склонность к горячим трещинам сварных швов углеродистых и легированных конструкционных сталей определяется следующими факторами:

1) химическим составом металла шва, от которого зависит межкристаллитная прочность и пластичность в опасном температурном интервале хрупкости (ТИХ);

2) величиной и скоростью нарастания растягивающих напряжений и соответственно деформаций в ТИХ;

3) величиной первичных кристаллитов;

4) формой сварочной ванны (шва), от которой зависит направление роста столбчатых кристаллитов, характер их срастания и расположение осей кристаллитов (или межкристаллитных участков) относительно направления растягивающих напряжений.

Элементами, обусловливающими образование горячих трещин в металле углеродистых и легированных швов, являются, прежде всего сера, затем углерод, фосфор, кремний, медь, никель (при содержании 2,5 — 4,5%), а также примеси металлов с низкой температурой плавления (свинец, олово, цинк). Элементами, повышающими стойкость швов против трещин, нейтрализующими действие серы, являются марганец, кислород, титан, хром и ванадий.

Измельчение и дезориентирование структуры металла шва, предупреждение развития грубой дендритной структуры с ликвационными зонами за счет соответствующего легирования и приемов сварки — все это повышает сопротивляемость швов против разрушения в температурном интервале хрупкости.

Качественные конструкционные стали, содержащие минимальное количество серы и фосфора (менее 0,035—0,025%), малочувствительны к горячим трещинам. Однако с повышением содержания углерода выше 0,25% чувствительность к горячим трещинам заметно возрастает. При этом, чем ниже содержание легирующих элементов, препятствующих образованию кристаллизационных трещин, тем выше склонность к трещинообразованию при одном и том же содержании углерода. В швах среднеуглеродистых сталей склонность к горячим трещинам резко падает при легировании марганцем до 1,8—2,5%. С этих позиций применение марганцовистых сталей (10Г2А, 12Г2А и др.) той же прочности более желательно.

При сварке листов встык наиболее опасными местами появления горячих трещин являются начало и конец шва. Наложение связи путем приварки технологических планок, заварка концевых участков шва в направлении от центра к краю свариваемых листов дозволяют предупредить образование концевых трещин. Часто горячие трещины появляются в прихватках. Более частые прихватки, наложение их с обратной стороны шва уменьшают опасность образования трещин. Снижение растягивающих внутренних напряжений при охлаждений шва в ТИХ и, тем самым предупреждение горячих трещин может быть достигнуто путем уменьшения числа и сосредоточения швов при конструировании, выбора оптимальной формы разделки кромок, устранения излишней жесткости узлов и другими мерами. Предварительный подогрев является эффективным, особенно для высокоуглеродистых сталей. Температура подогрева колеблется от 150 до 500 °С в зависимости от химического состава металла шва (величины Сэкв), конструкции и сечения деталей и других факторов.

Для снижения внутренних растягивающих напряжений в ТИХ целесообразно выполнять сварку такими методами, которые обладают наибольшей проплавляющей способностью при наименьшей погонной энергии (электронный луч, плазменная дуга, импульсная дуга, сварка с активирующими флюсами и др.). Стойкость против образования горячих трещин повышается при устранении концентраторов, вызванных формой шва и подготовкой кромок под сварку. Применение швов с остающимися подкладками, сварка «в замок», швы с непроваром и т. п. являются нежелательными. Сварка встык с полным проплавом наиболее предпочтительна.

В швах углеродистых и легированных конструкционных сталей может наблюдаться пористость. Поры образуются вследствие чрезмерного насыщения жидкого металла водородом или азотом, поступающим из среды, окружающей дугу, или из расплавляемого металла, и последующего их выделения при кристаллизации металла. Образование пор возможно непосредственно перед началом кристаллизации металла в результате запоздавшей реакции раскисления углеродом из-за недостатка в шве других раскислителей (Si, Мn, A1). Водород может попасть в зону сварки с маслом, влагой и ржавчиной при использовании влажных электродов, флюсов и защитных газов. Ухудшение защиты сварочной зоны от воздуха и связанная с этим возможность образования пор возрастают при увеличении зазоров между кромками и размеров зерен флюса, при повышении напряжения на дуге и увеличении скорости сварки.

Появление пор при сварке иногда обусловлено насыщением азотом поверхности листов при их нагреве в специальных безокислительных газовых защитных смесях в процессе металлургического производства. Особенно это) проявляется при сварке тонколистового металла без разделки кромок.



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2016-08-08 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: