Пути повышения технологической прочности сварных соединений

Повысить технологическую прочность сварных конструкций и соеди-нений можно металлургическими мерами, изменением формы конструкции или сварного соединения, некоторыми технологическими приемами.

Уменьшение температурного интервала хрупкости достигается главным образом металлургическим путем. Объем и составы жидких прослоек, а так-же температура их затвердевания зависят в первую очередь от загрязнен-ности материалов, применяемых при производстве сварных конструкций, вредными примесями (серой, фосфором, кислородом и т. д.). Поэтому для повышения технологической прочности металла сварного соединения необ-ходимо применять качественные материалы, максимально раскислять ме-талл сварочной ванны, очищать его от серы и фосфора, легировать марган-цем.

С целью получения мелкозернистой структуры часто целесообразно при-менять искусственные теплоотводы, но более весомые результаты получа-ются при использовании модификаторов (ниобия, ванадия, титана и т. д.).

Уменьшение пластических деформаций в металле сварного шва можно достичь снижением жесткости конструкции и уменьшением зоны разогрева основного металла. В последнем случае рекомендуется применять более мощные источники нагрева, высокие скорости сварки и соответствующие этим скоростям токи и напряжения дуги.

Для снижения скорости пластических деформаций следует уменьшать скорость охлаждения металла. Для этих целей выбирают режимы с большой погонной энергией и применяют предварительный подогрев изделия.

Чтобы уменьшить возможность образования холодных трещин при сварке закаливающихся сталей, стремятся предупредить образование хрупкой зака-ленной зоны вблизи сварного шва. Для этого выбирают режимы с большой погонной энергией, при которых скорость охлаждения металла сварного шва и околошовной зоны уменьшается, а также применяют предварительный по-догрев.

Все меры, способствующие уменьшению содержания водорода и фосфора в металле шва при сварке закаливающихся сталей, используются для преду-преждения хладноломкости металла сварного соединения.

Вывод: для обеспечения высокой технологической прочности сварных конструкций и соединений, необходим тщательный контроль исходных материалов и строгое соблюдение технологических процессов изготовления сборочных единиц и конструкций в целом.

Раздел VI. Свариваемость металлов Понятие свариваемости металлов. Факторы, определяющие свариваемость металлов

Одним из важных технологических свойств металлов (материалов) яв­ляется их свариваемость. Под свариваемостью понимают технологическое свойство металлов (материалов) или их сочетаний образовывать в процессе сварки соединения, отвечающие конструктивным и эксплуатаци­онным тре-бованиям, предъявляемым к ним. Как правило, конструктивные и эксплуа-тационные требования, предъявляемые к сварным соединениям, определя-ются свойствами используемых материалов. Поэтому часто под сваривае-мостью понимают способность материалов образовывать в процессе сварки соединения, не уступающие по своим свойствам сваривае­мым материалам.

Для различных видов сварки свариваемость может быть различной. Очень ценное свойство металла — хорошая свариваемость для нескольких видов сварки. К таким металлам относятся низкоуглеродистые стали.

В общем случае свариваемость материала — комплексное свойство и оно тем выше, чем проще технологический процесс сварки, чем большее количество способов сварки может быть использовано для соединения материала или различных сочетаний материалов, чем шире область пара-метров режимов, обеспечивающих заданные требования к свойствам свар-ных соединений, чем шире номенклатура изделий, для которых могут быть использованы сварные соединения из данного материала.

Наиболее проста и распространена сварка деталей из одного и того мате-риала. В данном случае большинство металлов проявляют достаточно хоро-шую свариваемость. Но встречаются случаи пониженной свариваемости, когда сварные соединения нельзя признать удовлетворительными. Иногда свар­ка настолько затруднена, что применять ее можно только при исполь-зовании особых, сложных приемов. Примерами металлов, имеющих пони-женную свариваемость, могут служить некоторые высоколегированные стали, закаливающиеся стали, многие чугуны, большинство медно-цинко-вых сплавов, некоторые тугоплавкие и химически высокоактивные металлы и т. д.

Причинами, затрудняющими сварку, могут быть: образование кристал-лизационных (горячих) трещин, холодных трещин, возникновение зон вы-сокой хрупкости, испарение составных частей сплава и пр.

Более сложный случай — сварка разнородных металлов (материалов), которые различны по своей природе и свойствам. При этом сварку может затруднить:

1. недостаточная взаимная растворимость металлов (свинец и медь, свинец и железо, магний и железо);

2. слишком большое различие в температурах плавления и кипения 3. образование в зоне сварки хрупких интерметаллических включений (соединений), например, алюминий — медь (CuAl₂), алюминий — медь — магний (Al₂CuMg), магний — цинк (MgZn₂). Иногда их называют метал-лидами.

Таким образом, свариваемость металлов (материалов) — комплексное свойство, которое определяется составом и физическими свойствами ис-пользуемых при сварке материалов.

К факторам, наиболее сильно влияющим на свариваемость, следует от-нести:

а) химический состав металла (материала), который определяет его темпе-ратурный интервал кристаллизации, фазовый состав, фазовые и струк-турные превращения на стадиях нагрева и охлаждения;

б) теплофизические свойства металла (материала), которые определяют область и степень завершенности процессов превращений, происходящих в материалах под воздействием сварочного цикла;

в) механические свойства металлов (материалов), которые определяют способность металла (материала) воспринимать механические воздействия (напряжения), возникающие за счет неравномерности нагрева и охлаж-дения, жесткости конструкции и некоторых других факторов, без разру-шения;

г) специальные физико-химические свойства металлов (материалов), кото-рые определяют активность физико-химических процессов, протекающих в сварочной ванне и зоне термического влияния.

При разработке технологического процесса сборки и сварки конкретной конструкции необходимо учитывать как исходные свойства металла (мате-риала), так и те изменения, которые могут произойти в нем в результате сварки. В свою очередь эти изменения определяются следующими факто-рами:

1. технологическими параметрами выбранного способа сварки (коцентра-цией источника нагрева, скоростью сварки и др.);

2. составом и температурой окружающей среды;

3. составом используемых при сварке материалов технологического на-значения — флюсов, присадочных материалов, защитных газов;

4. характером подготовки деталей под сварку (разделка кромок, предва-рительная подготовка поверхностей и т.д.);

5. конструкцией изделия (его жесткостью), наличием остаточных напря-жений;

6. пространственным положением осуществляемого процесса сварки.

Особенно важно учитывать перечисленные технологические факторы в связи с тем, что процесс сварки имеет существенные особенности, обуслов-ливающие более сильное их влияние на свойства, чем в случае использо-вания других технологических процессов получения деталей.

Технологический процесс изготовления конкретного сварного изделия (сборочной единицы) сопровождается некоторыми особенностями различ-ного рода.

А. Особенности термического воздействия:

1. неравномерный нагрев (градиент температуры при сварке в зависимо-сти от способа изменяется от сотен градусов до нескольких тысяч градусов на миллиметр);

2. высокие температуры нагрева в зоне действия источника теплоты, до-стигающие температуры испарения металла (материала) при лучевых спо-собах сварки;

3. большие скорости нагрева и охлаждения (от десятков до тысяч гра-дусов в секунду). Для большинства способов сварки скорости нагрева и охлаждения металла шва и зоны термического влияния значительно выше, чем при наиболее жестком цикле термической обработки — закалке.

Б. Металлургические особенности:

1. относительно малая масса расплавленного металла (материала);

2. большая поверхность по отношению к объему расплавленного металла (0,5…100 1/мм); это определяет существенное влияние реакций, протекаю-щих на поверхности сварочной ванны, на изменения свойств металла во всем объеме сварного шва;

3. активность химических и физических процессов взаимодействия рас-плавленного металла с окружающей средой и сварочными материалами.

В. Особенности механического воздействия:

1. возникновение в сварных соединениях напряжений, достигающих во многих случаях предела текучести;

2. воздействие на сварное соединение остаточных напряжений, существо-вавших в свариваемой конструкции ранее.

Следует отметить, что не весь комплекс рассматриваемых особенностей влияет во всех случаях сварки материалов. Однако в большинстве случаев наиболее важными, с точки зрения конечных свойств сварного соединения, являются:

1. изменения химического состава, структуры и свойств металла в зоне образования сварного соединения;

2. уровень напряжений и деформаций, существующих или возникающих в процессе сварки в зоне образования сварного соединения.

Удовлетворительная свариваемость металла должна обеспечивать соот-ветствие сварного соединения определенным техническим требованиям. Поскольку такие требования различны, различными могут быть и пока-затели, используемые для оценки свариваемости. В связи с этим существует ряд испытаний для оценки свариваемости, из которых наиболее часто ис-пользуются следующие:

1. определение стойкости металла шва к образованию кристал-лизационных (горячих) трещин;

2. определение стойкости металла околошовной зоны к образованию хо-лодных трещин;

3. определение стойкости металла шва, металла околошовной зоны и сварного соединения в целом против перехода в хрупкое состояние в сопо-ставлении с основным металлом;

4. проверка служебных характеристик металла шва и сварного соеди-нения в целом (механические свойства, стойкость против коррозии, износо-стойкость, жаропрочность).

Выбор вида испытаний для оценки свариваемости того или иного ме-талла (материала) зависит от свойств этого металла (материала) и условий эксплуатации сварного изделия.