5.2.4. Методы контроля с разрушением сварных соединений

К этим методам контроля качества сварных соединений относятся механические испытания, металлографические исследования, специальные испытания с целью получения характеристик сварных соединений. Эти испытания проводят на сварных образцах, вырезаемых из изделия или из специально сваренных контрольных соединений - технологических проб, выполненных в соответствии с требованиями и технологией на сварку изделия в условиях, соответствующих сварке изделия.

Целью испытаний является: оценка прочности и надежности сварных соединений и конструкций; оценка качества основного и присадочного металла; оценка правильности выбранной технологии; оценка квалификации сварщиков.

Свойства сварного соединения сопоставляют со свойствами основного металла. Результаты считаются неудовлетворительными, если они не соответствуют заданному уровню.

Механические испытания предусматривают следующие виды испытаний сварных соединений и металла шва: испытание сварного соединения в целом и металла разных его участков (наплавленного металла, зоны термического влияния, основного металла) на статическое растяжение, статистический изгиб, ударный изгиб, стойкость против старения, измерение твердости.

Контрольные образцы для механических испытаний выполняют определенных размеров и формы.

Основной задачей металлографических исследований являются установление структуры металла и качества сварного соединения, выявление наличия и характера дефектов. Металлографические исследования включают в себя макро- и микроструктурный методы анализа металлов.

При макроструктурном методе изучают макрошлифы и изломы металла невооруженным глазом или с помощью лупы. Макроисследование позволяет определить характер и расположение видимых дефектов в разных зонах сварных соединений.

При микроструктурном анализе исследуется структура металла при увеличении в 50 – 2 000 раз с помощью оптических микроскопов. Микроисследование позволяет установить качество металла, в том числе обнаружить пережог металла, наличие оксидов, засоренность металла шва неметаллическими включениями, величину зерен металла, изменение состава его, микроскопические трещины, поры и некоторые другие дефекты структуры.

5.3. Сварки металлов

5.3.1 Основные сведения свариваемости низколегированных сталей

с повышенным содержанием углерода

Низкоуглеродистые стали обыкновенного качества ВСт1, ВСт2 и т.д., качественные Сталь 10, Сталь 20, в низкотемпературной технике используются в основном для изготовления металлоконструкций. Низкоуглеродистые низколегированные стали 09Г2, 9Г2С используют при изготовлении сферических резервуаров, газгольдеров. Все эти стали содержат незначительное количество углерода до 0,25 % и суммарное количество легирующих элементов до 4 %. Все они обладают небольшой чувствительностью к термическому циклу сварки. За счет регулирования режимов сварки (термического цикла) и применения качественных сварочных материалов удается обеспечить получение необходимых свойств металла шва и околошовной зоны. Технология сварки этих сталей не представляет трудностей.

Для изготовления различных изделий в машиностроении используют углеродистые и низколегированные стали, содержание углерода в которых равно 0,25 −0,5% при суммарном легировании до 4 −5 %. Термообработка этих сталей позволяет существенно повысить их прочность, а следовательно снизить металлоемкость изделий. В зависимости от режима термообработки временное сопротивление этих сталей составляет 600−1500 МПа. Примерами марок сталей этой группы могут служить сталь 30, 35, 40, 45, 50, 35Х, 40Х, 35Г2, 40Г2, 30ХГСА и др.

Данные стали применяют для изготовления валов, цилиндров, шатунов, штоков криогенных газовых машин, компрессоров, детандеров и др.

Однако повышение содержания углерода, а также степени легирова­ния стали увеличивает склонность стали к резкой закалке, в связи с чем такие стали обладают высокой чувствительностью к термическому циклу сварки и околошовная зона оказывается рёзко закаленной, а следовательно, непластичной при всех режимах сварки, обеспечивающих удовлетворительное формирование шва.

На рис. 5.17 представлено распределение температур в некоторый момент сварки

стыкового шва. Как видно из рисунка различные участки шва и металла в поперечном сечении сварного соединения нагреваются до разных температур. Чем ближе к сварному шву, тем выше температура, а, следовательно, скорость охлаждения на различных участках различная. Чем выше температура металла, тем выше скорость охлаждения, а, следовательно, различная структура металла.

Для снижения скорости охлаждения околошовной зоны с целью получения в ней структур, обладающих некоторым запасом пластичности, достаточным для предотвращения образования трещин под действием термодеформационного цикла при сварке этих сталей необходим предварительный подогрев свариваемого изделия.

Рис. 5.17. Строение зоны термического влияния сварного соединения при сварке

Закаливаемость стали можно оценить, изучая кинетику распада аустенита. На рис. 5.18 а представлена диаграмма изо­термического распада аустенита и нанесены кривые, соответствую­щие различным скоростям охлаждения металла. Скорость охлаж­дения, выраженная кривой 2, характеризует максимальную скорость охлаждения, повышение которой приведет к частичной за­калке стали. Ее называют первой критической скоростью охлаж­дения. При скорости охлаждения по кривой 3 наступает полная закалка (100 % мартенсита). Ее называют второй критической скоростью охлаждения. Кривая 1 характеризует скорость охлаж­дения, при которой отсутствует закалка.

Рис. 5.18. а) диаграмма изотермического распада аустенита; б) смещение критического времени распада аустенита

Характер кривых изотермического распада аустенита и их расположение на диаграмме зависят от химического состава стали, однородности аустенита и размера его зерна. Почти все легирующие элементы увеличивают период распада аустенита, т. е. сдвигают кривые изотермического распада вправо.

При переохлаждении аустенита ниже Аr₁ длительность инку­бационного периода будет зависеть от температуры переохлажде­ния. При некоторой температуре Т_m (рис. 5.18 б) наблюдается наименьшая устойчивость аустенита, и через время при выдержке при этой температуре полностью заканчиваются все превращения. При всех других температурах переохлаждения время инкубационного периода больше, поэтому температуру Т_m называют температурой наименьшей устойчивости аустенита. При использовании кривых изотермического распада аустенита для оценки закаливаемости стали в условиях непрерывного охлаждения при сварке необхо­димо в эти кривые внести некоторые поправки.

При непрерывном охлаждении температура наименьшей устой­чивости аустенита Т_m снижается в среднем на 55 ^оС, а наименьшая длительность распада увеличивается в 1,5 раза по сравнению с тем, что наблюдается при изотермическом распаде (рис. 5.18 б). При одном и том же химическом составе рост зерна аустенита замедляет время его распада. Например, если средняя площадь зерна углеродистой стали с содержанием 0,9 % . С увеличивается в 10 раз, то длительность распада увеличивается примерно вдвое.

Исследованиями особенностей превращения аустенита при сварке плавлением установлено, что скорость нагрева в интервале температур Ас₁ - Ас₃ и длительность пребывания металла околошовной зоны при температуре выше Ас₃ оказывают сущест­венное влияние на процесс гомогенизации аустенита и роста верна. В условиях сварки наблюдаются две противоположные тенден­ции: высокая температура нагрева металла околошовной зоны способствует росту зерна, особенно при большой длительности пребывания металла при температуре выше Ac₃, и одновременно увеличивает устойчивость аустенита; быстрый нагрев и малая длительность пребывания металла выше температуры Ас₃ понижают степень гомогенизации и устойчивость аустенита.

Таким образом, основной трудностью сварки низколегированных сталей с повышенным содержанием углерода является образование в шве и околошовной зоны малопластичных закалочных структур, таких как мартенсит. В практике сварки этих сталей содержание закалочных структур (мартенсита) ограничивают 20-30 %.

Реальную скорость охлаждения и структуру металла предварительно оценивают на образцах изделия и только после этого назначают технологию сварки конкретной стали.

Для сварки сталей возможно использование различных способов сварки, однако предпочтение необходимо отдавать тем способам сварки при которых наблюдается пониженная скорость охлаждение сварного соединения.