4.2. Основные методы определения свариваемости.

Применяемые на практике методы определения свариваемости используются для проверки свойств основного металла и выяснения пригодности данной технологии сварки или сварочных материалов (электродов, сварочной проволоки, флюсов, защитных газов) для изготовления конструкции, соответствующей требованиям эксплуатации.

Все испытания, проводимые для определения показателей свариваемости, условно можно разделить на две основные группы. К первой группе относятся испытания, применяемые при разработке новых марок стали, новых способов сварки и сварочных материалов, новых типов конструкций и при выборе марки стали, которая при данной технологии обеспечивает возможность получения качественной конструкции. Эту группу испытаний проводят, как правило, исследовательские организации в лабораторных условиях. Ко второй группе относятся испытания, применяемые при проверке кондиционности данной уже изученной марки стали или данного сварочного материала и при проверке пригодности изученной марки стали для изготовления новых конструкций. Вторую группу испытаний, как правило, производят в заводских условиях.

Методы определения показателей свариваемости можно разделить на прямые, при которых оценку производят путем сварки образцов заданной конструкции, и на косвенные, при которых сварочный процесс заменяют другим, имитирующим его процессом. Косвенные методы испытания следует рассматривать только как предварительные. Результаты их в большинстве случаев должны быть проверены путем прямых испытаний. Методы определения показателей свариваемости весьма разнообразны и многочисленны. Тип образца обычно выбирают исходя из стремления максимально приблизить условия его испытания к условиям эксплуатации конструкции.

Основные методы:

• Определение стойкости металла шва против образования кристаллизационных трещин

• Наличие трещин определяют внешним осмотром поверхности контрольного шва после его сварки, излома шва после его разрушения или вырезанных из шва макрошлифов. При качественном анализе по методике МВТУ образцы используют на специальной машине, проверяя стойкость против образования трещин при критической скорости деформации. Для оценки стойкости шва к образованию кристаллизационных трещин часто применяют контрольный химический анализ.

• Определение стойкости металла околошовной зоны против образования трещин. Трещины в ОШЗ обычно образуются при сварке среднеуглеродистых, высоколегированных и среднелегированных сталей. Методы испытания дают в большинстве случаев качественную характеристику [наличие или отсутствие трещи]. К косвенным методам относится метод определения эквивалента углерода. Если С > 0,45%, то для обеспечения стойкости к трещинам в ОШЗ и отсутствия закалочных структур - требуется предварительный подогрев до 100-200°С.

• Определение стойкости металла против перехода в хрупкое состояние. Любая, в том числе и низкоуглеродистая сталь, может в зависимости от условий эксплуатации разрушиться пластично или хрупко. В обоих случаях происходит транскристаллическое разрушение (по телу зерна).

Методы определения температуры перехода стали в хрупкое состояние можно разделить на три группы:

1. Определение порога хладноломкости с помощью испытания на поперечный изгиб на маятниковом копре образцов с различными типами надреза. Эти испытания дают результаты, которые могут служить только для сравнения между собой различных сталей сварочных материалов, способов и режимов сварки.

2. Определение температуры перехода в хрупкое состояние с помощью специальных образцов. В процессе испытания этих образцов были определены две температуры в зависимости от принятого критерия одна температура — начала возникновения хрупкой трещины [первая стадия разрушения], а другая — распространения хрупкой трещины (вторая стадия разрушения).

3. Определение сопротивления стали распространению хрупкой трещины (третья стадия разрушения)

Испытания второй и третьей групп имеют целью охарактеризовать поведение металла в реальной конструкции. Поэтому результаты испытания всех образцов всегда сравнивают с данными наблюдаемых случаев хрупкого разрушения конструкций.

• Комплексные методы испытания металла околошовной зоны

ставят перед собой задачу выяснения только одного из показателей, входящих в общее понятие свариваемости. При проведении лабораторных исследований находят также применение комплексные методы оценки свойств околошовной зоны.

На основании испытания образцов на ударный и статический изгиб при различных температурах, а также металлографического исследования определяют следующие характеристики основного металла:

-Зависимость между критической температурой перехода в хрупкое состояние металла около шовной зоны и режимом сварки.

-Зависимость между ударной вязкостью металла околошовной зоны и режимом сварки, которая позволяет судить о структурных изменениях, происходящих в околошовной зоне (перегрев, закалка) при различных режимах сварки.

-Зависимость между твердостью металла в околошовной зоне и режимом сварки и зависимость между твердостью металла в околошовной зоне и мгновенной скоростью остывания при температуре наименьшей устойчивости аустенита. Можно также судить о структурных изменениях, происходящих в околошовной зоне.

Проба ИМЕТ позволяет определять структурное состояние и механические свойства металла околошовной зоны на протяжении всего термического цикла сварки. Испытания проводят на двух образцах для металлографических исследований и образце для определения механических свойств.

Механические испытания позволяют установить значения предела прочности, текучести и относительного удлинения металла образца в условиях быстрого растяжения при заданной температуре.

Проба ИМЕТ позволяет изучить кинетику изменения фазового состава, структуры и механических свойств металла в процессе нагрева и охлаждения по заданному термическому циклу сварки. Испытания дают возможность установить интервал, в котором происходит резкое падение пластичности, судить о характере превращения аустенита в металле околошовной зоны и об опасности хрупкого разрушения в ней в условиях охлаждения при данном термическом цикле.

По результатам испытания можно определить режимы сварки, обеспечивающие получение в зоне термического влияния структур, стойких против перехода в хрупкое состояние и против образования трещин. Методика в основном применяется при разработке новых марок сталей и сплавов.

Определение служебных характеристик металла шва и сварного соединения.

Для обеспечения нормальной работы конструкции металл шва и сварного соединения должен обладать необходимой и достаточной прочностью и пластичностью, коррозионной стойкостью и другими свойствами. При современном уровне развития сварочной техники это условие удовлетворяется в подавляющем большинстве случаев.

Для определения прочности и пластичности металла шва и сварного соединения применяют комплекс испытаний, в том числе при статических и ударных нагрузках. Испытания механических свойств металла шва и сварного соединения при статических и ударных нагрузках (ГОСТ 6996—66) проводят при текущем контроле качества продукции и при исследовательских работах. Испытания, регламентируемые ГОСТ 6996—66, предусматривают отбор образцов из реальных конструкций или из специальных образцов, сваренных в условиях, полностью повторяющих условия сварки реальной конструкции.

Выбор видов испытаний из числа предусмотренных стандартом, а также дополнительных, не вошедших в стандарт испытаний, устанавливается стандартами или техническими условиями на данный вид продукции. ГОСТ 6996—66 предусматривает:

а) испытание металла шва на растяжение. Целью его является определение физического σ_T или условного σ_0.2 предела текучести металла, его временного сопротивления при растяжении α, относительного удлинения δ и сужения Ψ. Для исследования отдельных участков металла шва и околошовной зоны применяют не предусмотренные стандартом малые образцы с диаметром рабочей части 0,8; 1,0 или 1,2 мм. Испытания подобных образцов на растяжение проводят на специальных машинах с записью кривой усилие—деформация.

Результаты испытаний малых образцов сравнивают с результатами испытаний аналогичных образцов, вырезанных из основного металла. Параллельно испытывают не менее двух образцов.

б) испытание сварного соединения на растяжение. Целью его является определение прочности сварного соединения в целом или прочности металла шва в сварном соединении. Полученные при испытании результаты сравнивают с результатами испытания основного металла.

в) испытание металла шва и металла отдельных участков околошовной зоны на ударный изгиб (на надрезанных образцах). Целью его является определение ударной вязкости испытуемого металла. Результаты, полученные при испытании, сравнивают со значением того же показателя для основного металла или с величиной, регламентированной стандартами или техническими условиями на данный вuд продукции. Они служат для текущего контроля правильности выбора технологии сварки и материалов. Для испытания применяют образец с полукруглым профилем надреза (надрез по Менаже) или с острым клиновидным надрезом (надрез по Изоду). Испытания образцов с надрезами различных типов дают несравнимые результаты.

Кроме приведенных видов испытаний ГОСТ 6996—66 предусматривает испытания на изгиб при продольном и поперечном расположении шва. Эти испытания не дают четких данных о пластических или прочностных свойствах сварного соединения и по существу относятся к разряду технологических проб.

Для определения изменения свойств в отдельных участках сварного соединения и степени неоднородности металла шва, околошовной зоны и основного металла замеряют твердость металла на этих участках. Твердость сварного соединения определяют на макрошлифах поперечного сечения на приборах Бринелля и Роквела. [13]

Углерод и все основные легирующие элементы отрицательно влияют на свариваемость. Однако пределы содержания различных легирующих элементов в стали, с которых начинается активное ухудшение свариваемости для разных элементов, различны. Кроме того, эти пределы зависят и от уровня легирования стали другими элементами. Лучше всего сваривается сталь с низким содержанием углерода. Повышение содержания углерода в нелегированной стали до 0,15% С несколько улучшает свариваемость за счет того, что при этом ограничивается рост зерна феррита. В нелегированной и низколегированной стали содержание углерода до 0,25% несущественно ухудшает свариваемость. Заметное ухудшение свариваемости наступает при повышении содержания углерода сверх 0,3%. Особенно плохо свариваются стали с содержанием 0,5% С и более. Для сварки таких сталей нужны специальные технологические меры, обеспечивающие получение качественного сварного соединения.

Отрицательное влияние углерода на свариваемость связано с повышением склонности стали к образованию горячих и холодных трещин, с повышением хрупкости металла в зонах теплового влияния (элементы неравновесных структур). Повышение содержания углерода в стали увеличивает объемные изменения при охлаждении, приводящем к образованию неравновесных структур.

Влияние легирующих элементов на свариваемость может быть различным в низколегированных и высоколегированных сталях. Низколегированные стали с небольшим содержанием углерода (0,15-0,25%) составляют основную массу сталей для сварных конструкций и изделий, поэтому влияние легирующих элементов на свариваемость лучше всего рассмотреть для них.

Кремний, вводимый в низколегированные стали в количествах до 1,7%, особо вредного влияния на свариваемость не оказывает. Некоторое отрицательное влияние кремния может быть связано с тем, что он упрочняет феррит и способствует неоднородности в распределении углерода. Поэтому в зонах теплового влияния сталей с кремнием более заметно влияние увеличения скорости, нагрева на повышение степени неоднородности аустенита и неоднородность свойств после охлаждения. Кроме того, кремний образует устойчивые окисные пленки, что может отрицательно повлиять на свариваемость.

Влияние марганца на свариваемость связано с содержанием углерода в стали - чем выше содержание углерода в стали, тем отрицательнее влияние марганца на свариваемость. При содержании в сталях 0,1% С хорошей можно признать свариваемость сталей, содержащих до 2,5% Мn. При более высоком содержании углерода (0,25%) хорошую свариваемость сохраняют стали при меньшем содержании марганца (1,7 – 1,8%). Влияние марганца на свариваемость связано главным образом с повышением склонности к появлению элементов закалочных структур в зоне теплового слияния, повышением хрупкости в этих участках и вероятностью появления холодных трещин. Увеличение склонности к образованию структур закалки увеличивает также эффект изменения объема в зоне теплового влияния после сварки.

Влияние хрома на свариваемость также связано с содержанием в стали углерода. В стали с 0,1-0,12% С содержание до 3% Сr сохраняет хорошую свариваемость стали. При содержании 5% Сr сталь сваривается удовлетворительно. При повышении содержания углерода (до 0,25%) содержание хрома до 2% сохраняет у стали достаточно хорошую свариваемость. При большем содержании хрома свариваемость стали значительно ухудшается.

Влияние хрома на ухудшение свариваемости связано с несколькими факторами. Хром, как и марганец, повышает склонность к закаливаемости стали в зоне теплового влияния сварки, но в несколько меньшей степени. Карбиды, содержащие хром, более трудно растворимы, чем Fe₃С или (Fe, Mn)₃С, и поэтому при сварочном нагреве аустенит в зоне теплового влияния (3TB) будет менее однородным, чем в нелегированной или марганцовистой стали. При высоком содержании хрома сильно возрастает неоднородность свойств в ЗТВ, появляются участки с низкотемпературным мартенситом и повышается склонность к образованию холодных трещин. Увеличивается объемный эффект превращения аустенита и снижается теплопроводность стали. И то и другое приводит к повышению уровня остаточных напряжений в сварном соединении.

Никель при содержании до 1 % в стали, содержащей до 0,2% С, существенно свариваемость не ухудшает. При повышении содержания никеля свариваемость ухудшается, но до 1,5% Ni остается удовлетворительной. При более высоком содержании никеля либо должно быть снижено содержание углерода в стали, либо приняты специальные технологические меры для обеспечения надлежащего качества сварных соединений. Отрицательное влияние никеля на свариваемость связано с повышением устойчивости аустенита и увеличением в продуктах его распада в ЗТВ после сварки мартенсита, и бейнита. Кроме того, никель увеличивает растворимость в стали водорода и благоприятствует тем самым повышению склонности к холодным трещинам при сварке.

Плохо влияют на свариваемость элементы, дающие в стали устойчивые карбиды. Молибден и Вольфрам без значительного ухудшения свариваемости вводят в низкоуглеродистую сталь в количествах до 0,5%. Ванадий и Ниобий ухудшают сваривае­мость при содержании более 0,2%. По-видимому, влияние активных карбидообразователей на свариваемость низколегированных, низкоуглеродистых сталей связано с трудностями растворения устойчивых карбидов при нагреве, трудностями гомогенизации аустенита и, вследствие этого, с образованием в ЗТВ участков с хрупкими неравновесными структурами. Труднорастворимые карбиды ванадия, ниобия и титана влияют также на процесс кристал­лизации сварочной ванны.

М еждународный институт сварки (МИС) для оценки свариваемости низколегированных сталей [документ IX-535 – 67] рекомендует пользоваться так называемым показателем эквивалента углерода С_э:

Символы различных элементов означают содержание данного элемента в процентах. Признаком хорошей свариваемости считается величина Сэ < 0,4. Признавая рациональность такого подхода к оценке влияния состава стали на свариваемость, в ряде работ уточнены коэффициенты, соответствующие различным легирующим элементам. Однако использование формулы (1) для оценки свариваемости имеет и свои недостатки, связанные с недоучетом ряда факторов, также влияющих на свариваемость (например, толщина металла, способ и условия сварки и др.). [14]

В качестве материала бункера принята сталь СтЗсп. Данная марка относится к спокойным низколегированным сталям. Образование кристаллизационных трещин возможно лишь в случае неблагоприятной формы провара, например в угловых швах, первом слое многослойного стыкового шва, односторонних швах с полным проваром кромок, когда содержание углерода приближается к верхнему пределу (0,22 %).

Механические свойства металла шва и сварного соединения зависят от его структуры, которая определяется химическим составом, режимом сварки, предыдущей и последующей термообработкой.

С_э<0,4 , содержание легирующих элементов не превышает допустимые значения, ухудшающие сварку содержание углерода лежит в пределах С=0,14-0,4 – значит сталь СтЗсп обладает, хорошей свариваемостью и при соблюдении определенных условий может быть сварена всеми видами сварки. При этом сварные швы обладают необходимой стойкостью против образования кристаллизационных трещин, вследствие пониженного содержания углерода.

Химический состав металла шва при сварке рассматриваемых сталей незначительно отличается от состава основного металла (табл.4.1) [13]. Это различие сводится к снижению содержания в металле шва углерода для предупреждения образования структур закалочного характера при повышенных скоростях охлаждения.

Таблица 4.1

Средний химический состав металла шва %