книги / Теория сварочных процессов

для дуговой сварки и 10...40 мм для лучевой независимо от толщины. Особенность сварки образцов заключается в том, чтобы закрепление входных и выходных планок не препятствовало раскрытию зазора. Сварка начинается с образцов большей ширины и заканчивается на образцах, в швах которых образуются ГТ.

Рис. 5.12. Схемы конструкции образцов технологических проб: а – с круговым швом; б – таврового; в – с переменной шириной пластин; г – со швом в канавку

Образец с канавками (см. рис. 5.12, г) изготовляют из пластин толщиной >40 мм. При толщине <60 мм он приваривается к жесткой плите по флангам швом с катетом 20 мм. Канавки выполняют с шагом 100 мм, при толщине образца >70 мм – с двух сторон. Они могут иметь V- и U-образную форму пазов.

При наличии ГТ металл сварного соединение считают склонным к образованию трещин. Относительную степень склонности к ГТ (см. рис. 5.12, а, б) оценивают суммарной длиной трещин по длине шва или в трех сечениях шва. При испытании образцов с переменной шириной (см. рис. 5.12, в) склонность к ГТ определяют по максимальной ширине образцов, в которых образуются трещины. При испытании пробы с канавками (см. рис. 5.12, г) за критерий склонности к ГТ принимают максимальную скорость сварки, при которой в швах начинают образовываться трещины.

Проба Холдкрофта (рис. 5.13) («рыбья кость») оценивает (качественно) сопротивляемость образованию горячих трещин при сварке тонких листов.

Образцом является пластина с боковыми прорезями увеличивающейся длины. На образец производится наплавка или проплавление

201

вольфрамовым электродом в защитном газе. Трещины выявляются внешним осмотром излома шва (после разрушения) или по макрошлифам.

Критерием служит длина трещины L или усилие, необходимое для ее закрытия.

При оценке склонности к ГТ с помощью пробы с изменяющейся жесткостью (Н. Прохорова, И. Арутюнова) используют в качестве образца пластины различной ширины b, собранные на прихватках (рис. 5.14). Трещины возникают от изгиба образцов вследствие неравномерного нагрева по ширине. При малой ширине пластин нагрев более равномерен и изгиб невелик. С увеличением b неравномерность и изгиб увеличиваются, затем, с увеличением общей жесткости, уменьшаются.

Показателем сопротивляемости к образованию трещин является диапазон ширины пластин b, при котором образуются трещины. Чем выше b, тем хуже свариваемость.

5.5. Холодные трещины

Холодные трещины – это разрушение сварных соединений, образующееся при остывании металла до относительно невысоких температур (как правило ниже 150 °С) или при вылеживании сварной конструкции в течение нескольких суток после окончания сварки. Визуально возникновение холодных трещин наблюдается после охлаждения сварного соединения. Для холодных трещин характерен блестящий кристаллический излом без следов высокотемпературного окисления.

Отличительными особенностями холодных трещин являются:

1.Замедленный характер развития, т.е. разрушение происходит через некоторый инкубационный период (несколько минут или часов) после сварки.

2.Невысокие температуры образования (150 °С).

202

К холодным трещинам склонны углеродистые и легированные стали, некоторые титановые и алюминиевые сплавы.

В практике холодные трещины в соответствии с геометрическими признаками и локализацией получили определенные названия

литный характер, дальнейшее развитие очага в микро- и макротрещину может носить смешанный или внутризеренный характер.

Образование холодных трещин в сварном соединении углеродистых и легированных сталей обусловлено следующими основными факторами:

–структурой – наличием закалочных составляющих мартенсита

ибейнита; повышенным размером аустенитного зерна;

–увеличенной концентрацией диффузионного водорода;

–высокими растягивающими сварочными напряжениями. Структура – обязательный фактор появления холодных трещин,

водород и напряжения – необходимые.

Для объяснения причин возникновения холодных трещин используют три основные теории (каждая из них удовлетворительно объясняет возникновение холодных трещин в одной из групп указанных материалов):

−закалочная теория (разработана Окербломом);

−водородная теория (Гопкин, Хансен);

−гипотеза замедленного разрушения (С.С. Шураков).

203

а

а

а

2

204

Рис. 5.18. Параметры объемно-центрированной тетрагональной решетки мартенсита (а) и объемно-центрированной кубической решетки железа (б)

Итак, тетрагональность решетки и пересыщенность углеродом обусловливают высокий уровень внутренних напряжений в мартенсите и, следовательно, его свойства. Отличительными особенностями мартенсита являются высокая твердость (500…600 НВ), малая пластичность и повышенный удельный объем (удельный объем аустенита равен

0,1275 см3/г, а мартенсита – 0,1310 см3/г), т.е. при превращении аустенита в мартенсит наблюдается значительное увеличение удельного объема, объемный эффект может достигать 0,3 %.

Именно повышение удельного объема металла шва или околошовной зоны (ОШЗ) вызывает появление собственных закалочных напряжений, которые благоприятствуют образованию закалочных трещин.

Склонность к закалке сталей при сварке и результат аустенитного превращения зависит от степени легирования стали, скорости нагрева и скорости охлаждения.

Формирование структуры закаливающихся сталей при сварке, когда имеет место непрерывное охлаждение металла шва, т.е. условия неизотермические, описывается диаграммой анизотермического превращения аустенита.

Однако приближенно можно использовать и обычные С-образные кривые (рис. 5.19), учитывая, что при анизотермическом распаде в условиях непрерывного охлаждения металла шва при сварке температура

минимальной устойчивости аустенита снижается (Т*min < Тmin), а инкубационный период превращения увеличивается (τ* > τ).

205

Наличие легирующих добавок в свариваемой стали сдвигает С-образную диаграмму вправо (рис. 5.20). При этом устойчивость аустенита увеличивается, а температура начала мартенситного превраще-

ния снижается (Т*н < Тн).

Кроме того, уменьшается скорость превращения аустенита, т.е. для получения перлита в структуре легированной стали при сварке требуется более замедленное охлаждение, чем для углеродистой (скорость охлаждения легированной стали v* меньше скорости охлаждения углеродистой стали v).

Практически все легирующие элементы, за исключением кобальта, повышают устойчивость аустенита, а значит, и его склонность к закалке. Максимально повышают устойчивость аустенита Mn, Cr, Mo, P, C и далее по убыванию Ni, Cu, W, Si, Al. Из легированных сталей наиболее склонны к образованию холодных закалочных трещин стали 35ХГСА и 40Х.

Конечная структура шва и околошовной зоны зависит не только от условий охлаждения, но и от условий нагрева. Для всех точек околошовной зоны сварочный термический цикл имеет вид, аналогичный приведенному на рис. 5.21.

При нагреве перлит и феррит околошовной зоны превращаются в аустенит. Карбиды частично или полностью растворяются в аустените. Происходит рост зерен аустенита и выравнивание его состава.

Высокий и длительный перегрев способствует укрупнению и гомогенизации аустенита. Установлено, что крупнозернистый аустенит бо-

206

лее устойчив к распаду, из него получается крупноигольчатый мартенсит с низкими пластическими свойствами.

1 2 3

Рис. 5.21. Температурные условия и структура металла околошовной зоны

Быстрый нагрев и малое время перегрева выше температуры А3 приводит к образованию мелкозернистого аустенита. Продукты его распада имеют более высокую пластичность. Таким образом, в околошовной зоне гомогенность аустенита разная в зависимости от условий нагрева.

В зоне сплавления 1 и прилегающей к ней зоне перегрева 2 (нагрев выше 1200 °С) образуется грубозернистый мартенсит, на участке 3 – более мелкозернистый мартенсит. Легирующие элементы (Ti, V, Zr, Al) способны уменьшать склонность аустенита к росту зерна.

5.5.2. Водородная теория возникновения холодных трещин

Водородная теория образования холодных трещин рассматривает водород как наиболее вероятную причину их возникновения.

Различают следующие формы существования водорода в сварных швах:

1. Диффузионно-подвижный водород. Находится в порах кристаллической решетки металла в атомарном состоянии в виде раствора. Участвует в диффузии, вызванной градиентами температуры, механических напряжений, электросопротивления. Постепенно удаляется из металла в атмосферу.

207

2.Остаточный водород. Адсорбируется на границах раздела фаз,

взоне скопления дислокаций и других «ловушках». Это атомарный водород, но при данных условиях он не способен к диффузии.

3.Связанный водород. Находится в несплошностях (поры, раковины) в молекулярном виде, т.е. в диффузии не участвует.

Поведение водорода, находящегося в металле шва в этих формах, имеет некоторые особенности. Во-первых, концентрация атомарного водорода в металле шва часто значительно превышает его равновесную растворимость. Поэтому атомарный водород диффундирует в области с его меньшей концентрацией – к поверхности шва, в ЗТВ, в поры, трещины, дефекты решетки. Во-вторых, скорость диффузии водорода выше скорости диффузии легирующих элементов ввиду малого размера

атома Н+. И в-третьих, в порах и несплошностях атомарный водород Н+ объединяется в молекулы Н2.

Соотношение между давлением молекулярного водорода PH2 в порах и концентрацией атомарного водорода [Н] в твердом растворе подчиняется закону Сивертса: [H] = k PH2 . По расчетам при содер-

жании в растворе [H] = 5 см3/100 г давление водорода в порах при сварке железа PH2 = 106…107 ат, при сварке аустенитной стали PH2 = 102 ат.

Такое высокое давление водорода в порах и увеличение его со временем при диффузионном поступлении новых порций водорода может привести к микроразрушениям и развитию очагов до трещин.

5.5.3. Теория замедленного разрушения

Теория замедленного разрушения для объяснения возникновения холодных трещин предложена С.С. Шураковым, Н.Н. Прохоровым, М.К. Шоршоровым. Согласно этой теории, зарождение очага замедленного разрушения реализуется путем развития микропластической деформации (МПД) в приграничных зонах зерен, где высока плотность дислокаций. По этой причине границы зерен имеют пониженное сопротивление сдвигу по сравнению с телом зерна. МПД осуществляется по незакрепленным, способным к скольжению краевым дислокациям

вструктуре свежезакаленной стали.

Всоответствии со схемой Зиннера–Стро (рис. 5.22), трещина образуется на стыке зерен в результате проскальзывания и поворота по границам, где действуют касательные напряжения. Особенностью замедленного разрушения является то, что разрушение происходит через некоторый инкубационный период после приложения нагрузки. Под

208

нагрузкой понимается небольшое напряжение, меньшее предела упругости, либо постоянное, либо приложенное с малыми скоростями.

Сопротивляемость замедленному разрушению σр значительно меньше предела прочности σв. ПД является термически активируемым

от времени действия нагрузки. Ве-

концентрация диффузионно-подвижного водорода – Нд).

Уравнения регрессии представляют собой семейство плоскостей в координатах: содержание углерода С, мартенсита М и водорода Нд

(рис. 5.24).

209

Пространству выше этих плоскостей соответствует образование холодных трещин, ниже – их отсутствие. Данная модель разработана Э.Л. Макаровым.

Причины и механизм образования трещин в титановых сплавах менее исследованы, чем для сварки легированных сталей. Установлено, что они имеют характер замедленного разрушения.

При этом период до разрушения значительно больший, чем у сталей, и может достигать нескольких десятков суток. Образование трещин связывают с метастабильным состоянием металла шва и зоны термиче-

тельным положительным объемным эффектом (15,5 %) и наряду с охрупчиванием металла может привести к повышению уровня микронапряжений второго рода. Водород также способен адсорбироваться на границах зерен, снижая их когезионную прочность. Отмечено, что действие водорода усиливается при одновременном насыщении металла сварного соединения кислородом и азотом.

Склонность к XT наблюдается у (α + β)-сплавов титана, легированных главным образом эвтектоиднообразующими β-стабилизирую- щими элементами (железо, хром, марганец и др.). Образование трещин связывают с выделением в процессе фазовых превращений хрупких фаз на границах зерен, что ведет к снижению пластичности и способствует склонности к образованию XT.

Склонность к XT наблюдается при сварке некоторых высоколегированных термоупрочняемых алюминиевых сплавов систем А1–Mn–Zn и Al–Zn–Mg–Сu. Природа и механизм образования трещин еще недостаточно исследованы. Их возникновение связывают с выделением хруп-

210