книги / Теория сварочных процессов

В начальный период кристаллизации появление твердой фазы не снижает деформационную способность сплава, так как металл деформируется за счет относительного перемещения участков твердой фазы и циркуляции жидкой фазы между ними. По мере дальнейшего охлаждения сплавов непрерывно снижается объем жидкой фазы и металл переходит в твердожидкое состояние, что приводит к соприкосновению кристаллитов при деформировании. Это ограничивает циркуляцию жидкой фазы и резко снижает деформационную способность сплава –

до минимума (δmin). Температура, соответствующая этому состоянию,

называется верхней границей ТИХ Тв.г. При деформации такого металла кристаллиты воспринимают в местах контакта напряжения, что способствует появлению определенного уровня сопротивления деформированию. Нижняя граница ТИХ Тн.г соответствует неравновесному солидусу

Тс.н. Ниже Тн.г деформационная способность резко возрастает и достигает максимума, так как в деформации участвует весь объем полностью затвердевшего металла.

Начало роста высокотемпературной сварочной деформации еi соответствует появлению сопротивления двухфазного твердожидкого металла деформирования. Интенсивность этих деформаций количественно определяется величиной темпа деформации:

α = ∆е/∆Т = tg β,

где ∆е – приращение высокотемпературной деформации за время охлаждения на ∆Т.

Вероятность разрушения определяется соотношением между темпом деформации металла шва и его деформационной способностью. Количественно последнюю можно оценить критическим темпом де-

формации αкр:

αкр = δmin/ТИХ = tg βкр.

Превышение α действительного αкр исчерпывает упругопластические свойства металла в ТИХ и приводит к образованию ГТ.

Величина αкр принимается за показатель сопротивляемости сварных швов образованию ГТ.

ГТ в ТИХ образуются по жидким прослойкам в период завершения кристаллизации шва, а также в околошовной зоне (ОШЗ) по оплавленным границам в период нагрева. ГТ этого типа называются кристаллизационными в шве. Эти трещины характерны для всех типов сплавов.

Помимо ТИХ в некоторых сплавах возможно существование еще одного температурного интервала хрупкости – ТИХ II или ТИХ III при температурах ниже температуры неравновесного солидуса в твердофаз-

191

ном состоянии металла. ГТ в ТИХ II образуются в закристаллизовавшихся шве и ОШЗ в период интенсивного развития процессов самодиффузии атомов основы сплава и миграции границ зерен. В результате этих процессов происходит межзеренное проскальзывание, приводящее к зарождению горячих микротрещин. ГТ такого типа называются подсолидусными. Они характерны для однофазных аустенитных и никелевых сплавов.

Подсолидусные полигонизационные трещины. Появление поли-

гонизационных трещин при сварке связано с возникновением субструктуры (или полигональной структуры) внутри кристаллов. Эта структура формируется в результате миграции границ, проходящей в период охлаждения сварного шва после затвердевания. Механизм такой перестройки заключается в движении дислокаций по плоскостям скольжения вплоть до какого-либо препятствия, где образуется копление дислокаций или стенки-субграницы. Эти субграницы делят кристалл на блоки, или полигоны. Разориентация полигонов достигает 1…3 град. Таким образом, полигональная структура представляет сетку малоугловых границ наклонного типа, возникающих в результате перестройки дислокаций внутри кристалла (рис. 5.7). Эта сетка субграниц не совпадает с ячеистыми и дендритными формами границ кристаллитов, которые обычно формируются при кристаллизации металла сварного шва. Горячие трещины, возникающие по субграницам полигонов при сварке, получили соответственно название полигонизационных.

Границы

кристаллитов

Субграницы

полигонов

Рис. 5.7. Схема формирования полигональной структуры при охлаждении сварного шва

В сварных швах некоторых сплавов полигональная структура формируется непосредственно в процессе охлаждения после затвердевания (т.е. чуть ниже солидуса). Однако наиболее полно полигонизация проходит в тех случаях, когда литой металл охлаждается с малыми скоростями (например при сварке с подогревом) или подвергается последующему отжигу.

192

Известны два механизма развития межкристаллитного разрушения при полигонизации в условиях сварочных температурных деформаций.

Первый механизм – миграция границ блоков, которая осуществляется по вакансиям. Такое перемещение границ блоков не приводит к появлению значительных внутренних напряжений и поэтому не является опасным с точки зрения трещинообразования.

Второй механизм разрушения – проскальзывание по границам полигонов с образованием полостей, которые являются зародышами полигонизационных трещин. Схема проскальзывания при развитии полигонизационной трещины сходна со схемой образования холодных трещин, предложенной Зиннером–Стро (см. подразд. 5.5). Разрушение по механизму проскальзывания в основном и ведет к появлению полигонизационных трещин. Для предотвращения образования полигонизационных трещин необходимо уменьшить вероятность проскальзывания и способствовать развитию миграции границ зерен.

Кривая пластичности δ может иметь еще один минимум, расположенный в области более низких температур (рис. 5.8).

Рис. 5.8. Изменение механических свойств металла в процессе кристаллизации шва: σв – предел прочности, δ – пластичность, η – вязкость жидкого металла, Тliq и Тsol – температуры ликвидус и солидус

Снижение пластичности в этом случае связано с перераспределением примесей (главным образом серы) из тела зерна к границам и образованием эвтектик. Эвтектики охрупчивают металл шва, поскольку кристаллизуются при более низких температурах, и жидкая прослойка по границам зерен сохраняется ниже Тс. Такие трещины называются ликвационными (причина образования – эвтектика с серой).

193

Таким образом, существуют два (иногда три) температурных интервала хрупкости – ТИХ I и ТИХ II (ТИХ III), пластичность металла шва в которых очень низка (два минимума на кривой пластичности δ). Кристаллизационные горячие трещины образуются в пределах ТИХ I, а подсолидусные трещины (полигонизационные и те, причиной которых является легкоплавкая эвтектика) – в пределах ТИХ II (ТИХ III).

Иногда первый и второй температурные интервалы хрупкости сливаются в один. ГТ в ТИХ III образуются вследствие охрупчивания, обусловленного распадом твердого раствора с выпадением мелкодисперсных интерметаллидных и карбонитридных фаз (например γ'-фазы в высоконикелевых сплавах).

Дисперсионное упрочнение объема зерен приводит к локализации пластических деформаций по приграничным участкам, относительному проскальзыванию зерен и зарождению горячих микротрещин. Такие ГТ называются трещинами дисперсионного твердения. ГТ этого типа ха-

рактерны для высоколегированных гетерогенных жаропрочных аустенитных и никелевых сплавов.

5.4.2. Факторы склонности к горячим трещинам

Механизм образования горячих трещин, а также факторы, способствующие повышению стойкости против их образования, наиболее полно освещены Н.Н. Прохоровым в его теории технологической прочности. Согласно этой теории технологической прочности склонность к образованию горячих трещин зависит от трех факторов. В зависимости от величины каждого фактора, а также от их сочетания при сварке, трещины могут либо возникать, либо не возникать в одном и том же материале.

Первый фактор – это темп деформации по мере снижения темпера-

туры, т.е. величина е = ∂∂εT . Чем выше темп деформации, тем вероят-

нее образование трещин. Для темпа е1 – трещины образуются, для темпа е2 – не образуются. Темп деформации е1 выше, чем е2 (рис. 5.9, а).

Второй фактор – это пластичность металла шва в температурном интервале хрупкости. Чем выше пластичность, тем меньше склонен металл шва к образованию горячих трещин.

При пластичности δ1 металла шва – трещин не образуется (рис. 5.9, б), при пластичности δ3 – трещины образуются. Пластичность δ2 – критическая величина, выше нее – трещин нет, ниже – есть.

Третий фактор – сама величина температурного интервала хрупкости.

194

Рис. 5.9. Соотношение между пластичностью δ металла шва и темпом деформации е в температурном интервале хрупкости ТИХ

Чем шире ТИХ, тем выше склонность к трещинообразованию при одной и той же пластичности δ и темпе деформации е. При ТИХ I – трещин нет, для ТИХ III – трещины образуются (рис. 5.9, в).

5.4.3. Предотвращение горячих трещин

Предотвращение кристаллизационных трещин. Указанные выше факторы склонности металла сварных швов к горячим трещинам можно регулировать. На величину температурного интервала хрупкости влияет химический состав стали и электродной проволоки:

−такие элементы, как марганец, никель, хром, сужают ТИХ;

−сера, образуя легкоплавкие эвтектики по границам зерен, расширяет ТИХ, так же как фосфор и водород.

Значит, для снижения склонности к горячим трещинам необходимо использовать сварочную проволоку, легированную Mn, Ni, Cr, а также рафинировать металл шва от серы, фосфора и водорода.

Кроме того, при сварке сложнолегированных высокоуглеродистых сталей можно добиться снижения доли участия основного металла в образовании шва путем применения рациональной разделки кромок.

195

Собственные деформации металла шва при сварке совсем устранить невозможно, но можно их свести к минимуму. Для этого стремятся устранить излишнюю жесткость узлов на стадии конструирования, а также применяют предварительный подогрев изделий перед сваркой.

Предотвращение полигонизационных трещин. Как уже было сказа-

но выше, для предотвращения образования полигонизационных трещин необходимо уменьшить вероятность проскальзывания по субграницам полигонов и способствовать развитию миграции этих границ. Для этого применяют следующие способы:

1.Легирование элементами, уменьшающими диффузионную подвижность атомов в решетке или способствующими созданию фрагментарной литой структуры (например для никеля это Nb, Al). Под фрагментарной структурой понимается максимальное искривление границ кристаллитов, а также образование в процессе кристаллизации и последующего охлаждения высокотемпературных дисперсных вторичных фаз. По искривленной границе проскальзывание затруднено и зародышевые трещины не образуются. Частицы второй фазы по границам зерен могут действовать как точки закрепления, т.е. уменьшать длину границы, снижая тем самым концентрацию напряжений в местах зарождения трещины.

2.Повышение чистоты металла по примесям внедрения – О, N. Кислород и азот уменьшают поверхностную энергию зарождения полостей, и тем самым способствуют появлению трещин.

3.Сокращение времени нахождения металла при температуре высокой диффузионной подвижности атомов, т.е. увеличение скорости охлаждения швов. Кроме того, необходимо ограничение деформаций металла шва при сварке, что достигается рациональным конструированием сварного соединения.

5.4.4. Методы оценки стойкости сплавов против образования горячих трещин

Для оценки стойкости сплавов против образования горячих трещин применяют три основные группы методов:

расчетные методы; методы машинных испытаний;

методы технологических проб.

Расчетно-статистические методы. Эти методы является кос-

венными, поскольку основаны на использовании параметрических уравнений, составленных с помощью регрессионного анализа и применимы только для сплавов, которые входят в концентрационные пределы изученных композиций.

196

Показателями склонности являются условные абревиатуры – HCS, CSF, L, хромоникелевый эквивалент Crэ/Niэ и др., которые рассчитывают по параметрическим уравнениям.

Одно из параметрических уравнений (по Итамуре) применительно к низколегированным сварным швам имеет вид

HCS = C(S + P +Si / 25 +0,01Ni) 103 , 3Mn + Cr + Mo + V

где Н(Т)CS (high temperature cracking sensativity) – параметр, оцени-

вающий склонность сварных швов к кристаллизационным ГТ, %; С, S и др. – содержание химических элементов, %.

Если HCS < 4 сталь не склонна к образованию ГТ; если HCS > 4, то сварные швы потенциально склонны к ГТ. Это означает, что в условиях высокого темпа сварочной деформации в ТИХ I, который зависит от типа и жесткости сварного соединения, способа и режима сварки, возможно образование ГТ.

Применительно к хромоникелевым аустенитным сварным швам используют параметр, оценивающий степень их аустенизации:

Cr +1,37Mo +1,5Si + 2Nb +3Ti Crэ/Niэ = Ni + 0,31Mn + 22C +14,2N + Cu ,

при Crэ/Niэ > 1,5 хромоникелевая аустенитная сталь является стойкой к кристаллизационным ГТ; при Crэ/Niэ < 1,5 – склонной к ГТ ((S + P) < < 0,035 %).

Европейский стандарт EN 1011-2–2001 «Рекомендации по сварке металлических материалов. Дуговая сварка ферритных (углеродистых и низколегированных) сталей» рекомендует оценивать опасность образования ГТ в сварных швах по соотношению

UCS = 230C + 190S + 75P + 45Nb – 12,3Si – 5,4Mn – 1,

где UCS (units of crack susceptibility) – единицы склонности к ГТ.

Значения UCS < 10 соответствуют высокой сопротивляемости образованию ГТ, UCS > 10 – низкой сопротивляемости ГТ.

Недостаток расчетных методов – невозможность учета влияния всех примесей, не входящих в параметрическое уравнение, а также аномалии по технологическим параметрам сварки, выходящим за исследованные пределы. Поэтому расчетно-статистические методы рекомендуются для приближенной экспресс-оценки.

Методы машинных испытаний. Экспериментальная оценка сопротивляемости ГТ осуществляется с помощью машинных методов.

197

При машинных методах испытания металл шва и зоны сплавления подвергают высокотемпературному деформированию с приложением внешних сил, создаваемых испытательной машиной для инициирования ГТ и определения сравнительно-количественных показателей.

Наиболее распространенным машинным методом является метод, разработанный в МВТУ им. Баумана.

Машинные методы предусматривают испытание свариваемых образцов на растяжение, изгиб, а также испытание образцов с имитацией сварочного цикла на растяжение (рис. 5.10). Испытания проводят по ГОСТ 26389–84 (2000) с помощью специализированных испытательных машин.

Рис. 5.10. Устройство испытательной машины МИС-1 и схемы испытания свариваемых образцов: а – схема машины МИС-Г (1 – свариваемый образец; 2, 3 – неподвижный и подвижный захваты соответственно; 4 – механический привод); б – испытание изгибом; в – испытание растяжением; г – испытание образца для ЭШС; д – испытание в процессе имитации термодеформационного сварочного цикла об-

разца основного металла

Процедура машинных испытаний предусматривает поочередно сварку серии образцов и деформирование швов в процессе их кристаллизации с дискретной варьируемой скоростью растяжения (v). Скорость деформации и, соответственно, относительное перемещение свариваемых кромок повышают до появления ГТ. Сварку стыковых образцов без разделки кромок выполняют на режимах, исходя из условия

198

получения полного провара и обратного валика заданной ширины, а стыковых образцов с разделкой кромок – из условия получения заданных ширины и высоты шва.

Идентификацию трещин в образцах после испытания проводят по виду излома, а при невозможности излома – другими неразрушающими методами контроля.

В результате испытания 10–15 образцов с дискретным изменением скорости растяжения находят критическую скорость растяжения (среднее арифметическое из трех минимальных скоростей, при которых образовались трещины) и принимают ее за сравнительный показатель со-

противляемости металла образованию ГТ (vкp, мм/мин) при заданном режиме (термическом цикле) сварки. Чтобы сравнить сопротивляемость ГТ при различных термических циклах сварки, применяют показатель –

критический темп деформации αкр (мм/°С),

αкр = vкр/ω,

где ω – скорость охлаждения металла шва в ТИХ.

Испытания образцов с имитацией сварочного термического цикла проводят на стержневых или пластинчатых образцах, подвергнутых электроконтактному или индукционному нагреву. Рабочая зона таких образцов может иметь структуру основного металла или сварного шва. Главная особенность таких испытаний – назначение температуры максимального нагрева. Она должна соответствовать минимальной температуре, при которой достигается оплавление границ зерен по их пери-

метру (Тmах > Тс).

Испытания образцов в ТИХ проводят с целью определения верхней и нижней температурных границ ТИХ и минимальной пластичности

в ТИХ (δmin в мм или %). По результатам испытаний рассчитывают кри-

тический темп деформации αкр = δmin/ТИХ (мм/°С или %/°С). Например, в канавку образца, изображенного на рис. 5.11, наплав-

ляется валик с использованием тех сварочных материалов, которые подвергаются испытанию. Образец с помощью концевых отверстий закреплен в губках испытательной машины и может растягиваться в процессе сварки вдоль оси с определенной скоростью v (мм/с) посредством приложения силы Р. Растяжение образца начинается не одновременно с зажиганием дуги, а в тот момент, когда дуга пройдет среднее сечение, где расположены отверстия, служащие концентраторами напряжений. Если при данной скорости растяжения в температурном интервале хрупкости в металле шва появилась трещина, то при дальнейшем растяжении она раскроется до наблюдаемых размеров.

Получают схему температурного цикла сварки, совмещенную со схемой относительной деформации для разных скоростей нагружения.

199

τ

Временной интервал хрупкости

Рис. 5.11. Метод МВТУ: образец и температурный цикл сварки (скорости растяжения v1 > v2)

Величина vкр – критическая скорость, превышение которой вызывает появление горячих трещин в металле шва. Это и есть показатель технологической прочности. При скорости нагружения v1 – трещины образуются, при скорости v2 – не образуются. Соответственно, чем меньше время, в течение которого испытуемый металл шва находится в хрупком состоянии, тем меньше вероятность образования ГТ. Если горячие трещины в температурном интервале хрупкости не образуются, то металл шва деформируется пластично до конца испытаний.

Методы технологических проб. При испытаниях с помощью проб на металл сварного шва воздействуют деформации от усадки шва

иформоизменения свариваемых образцов. Специальная конструкция

итехнология сварки образцов обусловливают повышенные темпы высокотемпературной деформации. Некоторые схемы технологических проб согласно ГОСТ 26389–84 (2000) приведены на рис. 5.12.

Образец с круговым швом (см. рис. 5.12, а) изготовляют из листового металла в виде квадратной пластины с отверстием. При толщине листов >25 мм применяют составную пластину из четырех пластин, соединенных монтажным швом, с проточкой под круговой шов. Испытуемым является круговой шов или наплавка в круговую канавку.

Тавровый образец (см. рис. 5.12, б) изготовляют из двух пластин: 150×300 и 75×300 мм толщиной 15...30 мм, соединяемых под прямым углом с помощью трех косынок и монтажных швов. Испытуемый шов сваривают в положение в тавр или в лодочку.

Образцы с переменной шириной (см. рис. 5.12, в) применяют в виде комплекта из серий, отличающихся по ширине b в пределах 40...200 мм

200