4.6. Визначення швидкості охолодження

Для даного завдання швидкість охолодження обраховують за формулою:

_ох=2 ,

де Т₀ – температура до зварювання; Т₀=20⁰С.

Знаходимо швидкість зварювання для першого режиму:

Т:=550⁰С Т₀:=20⁰С :=32 Вт/(м ) 4.08 10³ Вт V_зв:=0.01 м/с

_ох1=138.427^оС/сек

Для другого режиму зварювання:

Т:=550⁰С Т₀:=20⁰С :=32 Вт/(м ) 9.826 10³ Вт V_зв:=0.011 м/с

_ох2=63.226^оС/сек

Визначення кінцевих структур.

За допомогою визначених швидкостей охолодження та структурної діаграми зображеної на рис.7 визначаємо кінцеву структуру для двох режимів зварювання.

При першому режимі зварювання кінцева структура сталі буде містити 100% мартенситу.

При другому режимі зварювання кінцева структура сталі буде містити 99% мартенситу і 1% бейніт + перліт.

Аналізуючи отриману структуру для першого і другого режимів зварювання, можна зазначити, що в сталі будуть мартенситні перетворення, оскільки мартенситу є більше ніж 20%, а отже сталь схильна до утворення холодних тріщин. Щоб запобігти їх утворенню, потрібно попередньо нагріти при першому режимі зварювання зразок до температури 455⁰С , а при другому – до 409⁰С.

_ох1= _ох2=4,5^оС/сек

В такому випадку структура сталі міститиме 16% мартенситу, 71% бейніт + перліт і 13% фериту.

4.7. Оцінка технологічної міцності зварних з’єднань

Технологічну міцність оцінюють, аналізуючи стійкість зєднань до утворення гарячих і холодних тріщин. Стійкість до утворення гарячих тріщин можна оцінити шляхом аналізу хімічного складу зварних швів чи наплавлених валиків та швидкості їхнього охолодження.

Холодні пріщини (ХТ) є найпоширенішим дефектом, який виникає у зварних зєднаннях та в наплавлених деталях із залізовуглецевих сплавів. Вони належать до технологічних тріщин, тобто таких, що утворюються без прикладання зовнішніх навантажень. ХТ можуть виникати в різних зонах зварного зєднання та наплавлених деталей, але найчастіше в ділянці перегріву ЗТДВ та зоні сплавлення.

Утворення ХТ починається з виникнення їхніх джерел на межах колишніх аустенітних зерен. Звичайно довжина джерел не перевищує двох-трьох діаметрів зерен. При цьому руйнування не супроводжується помітним пластичним деформуванням,і, практично, є крихким. Поширення мікро- та макротріщин, які розвиваються з джерела, звичайно має мішаний характер, тобто проходить як по межах, так і по об’єму зерен, і може відбуватися з помітним пластичним деформуванням. Поверхня зламу ХТ світла не окиснена – іскриста в джерелі і матова в зоні розвитку.

Формальною ознакою холодних тріщин є те, що вони утворюються після охолодження зварного зєднання. Існуючі класифікації ХТ пов’язані з їхнім розміщенням у зварному зєднанні – паралельно чи перпендикулярно до осі шва, що збігається з напрямком головних компонент зварювальних напружень.

Чинники, що призводять до утворення ХТ, можуть бути різними, залежно від хімічного складу та структури сталі, але структурний чинник є головний із них. Це означає, що всі без винятку випадки утворення ХТ пов’язані із зміною структури під дією ТДЦЗ.

Окрім цього, відповідальними за холодні тріщини є залишкові напруження першого роду, що виникають через нерівномірне нагрівання й охолодження при зварюванні. Повну роль відіграють і напруження другого роду, причинию яких є структурні перетворення аустеніту при охолодженні.

Ще одним чинником, що сприяє утворенню ХТ, є водень, який в атомарному (дифузійний водень) або іонізованому стані може відносно легко переміщатись у зварному зєднанні. Негативний його вплив особливо виявляється при зварюванні легованих бейніт них сталей.

Основною ознакою холодних тріщин у сталях схильних до гартування є те,що вони виникають при температурах, нижчих за початок мартенситного та бейнітного перетворень, а найчастіше – після повного охолодження та деякого інкубаційного періоду, що може навіть перевищувати добу. При охолодженні металу після зварювання та витримці при низьких (відємних) температурах утворення тріщин не спостерігається, тоді як при наступному нагріванні до кімнатних температур схильність до їхнього утворення відновлюється. В той же час нагрівання вище за 500..550 К усуває небезпеку виникнення ХТ.

Аналіз процесу утворення холодних тріщин свідчить про те, що обов’язковою умовою їхньоо виникнення в сталях, схильних до гартування, при наявності певного рівня залишкових напружень першого роду, є утворення мартенситу та бейніту, які характеризуються низькою деформаційною здатністю. Коли при нагріванні відбуваєься розпад мартенситу та бейніту, пластична деформація відбувається не лише по межах, але й по об’єму зерен. Це знижує рівень залишкових напружень нижче критичних значень, необхідних для зародження та розвитку тріщин.

Слід зауважити , що утворення бейніту і, особливо, мартенситу супроводжується виникненням значних структурних напружень другого та третього роду, які підвищують загальний рівень напруженого стану в зварних зєднаннях.

Таким чином, визначальною причиною утворення холодних тріщин при зварюванні та наплавленні сталей, схильних до мартенситного і бейнітного перетворень, є недостатня для релаксації внутрішніх напружень деформаційна здатність між зерен.

Технологічна міцність зварних зєднань значною мірою визначається їхньою стійкістю до утворення гарячих тріщин.

Гарячими тріщинами (ГТ) називають крихкі міжкристалічні руйнування зварних зєднань при високих температурах, переважно в процесі первинної кристалізації швів, а інколи і після її закінчення при температурах, дещо нижчих за солідус, коли величина деформації перевищує їхню пластичність. У першому випадку це будуть гарячі кристалізаційні тріщини, а в другому – гарячі підсолідусні тріщини.

Геометрія ГТ може бути різною, але спільних для всіх них є те, що вони зароджуються та розвиваються межами зерен. На відміну від холодних тріщин,їхній ступінь розкриття більший, і поверхня звичайно окислена. Дуже часто ГТ утворюються в місцях знаходження легкоплавких евтектик, сірчистих переважно в сталях і фосфідних у чавунах.

Схильність до утворення холодних тріщин зазвичай оцінюють за величиною так званого вуглецевого еквіваленту:

С_ек=С + (Mn/6) + (Ni+Cu/15) + (Cr+Mo+V/5) %

Сталі, в яких С_ек менше за 0,45, вважаються не схильними до уворення холодних тріщин, а при більших його величинах – потенційно схильними.

Таблиця 3 “Хімічний склад сталі 23Г”

Тип сталі	C	Si	Mn	Cr	Ni	Mo	S	P
23Г	0,23	0,3	1,64	0,14	0,2	0,03	0.025	0,026

С_ек=0,44 + 1,64/6 + 0,2/15 + 0,17/5 = 0,76 %

Отже, дана сталь є потенційно схильною до утворення холодних тріщин, бо С_ек>0,45 %.

Технологічну міцність слід оцінювати аналізуючи стійкість зєднання до утворення гарячих та холодних тріщин.

Регулювання структури зварних зєднань з метою підвищення стійкості до утворення холодних тріщин зводяться до таких заходів: зменшення кількості низькотемпературних продуктів розпаду аустеніту, мартенситу та бейніту, підвищення дисперсності мартенситної та бейнітної складових, подрібнення аустенітних зерен.

Керування структуроутворенням

Вибір хімічного складу металу шва. Найоптимальнішим є такий варіант, коли за хімічним складом зварний шов не відрізняється або дуже мало відрізняється від основного металу. Хімічний склад металу шва та основного металу – основний чинник, який впливає і на величину температурного інтервалу крихкості ТІК, і на деформаційну здатність сталі, і на інтенсивність деформації. Найефективніший спосіб підвищення технологічної міцності за рахунок хімічного складу – зменшення в зварному шві вуглецю і таких шкідливих домішок, як сірка та фосфор.

В цілому, збільшення погонної енергії, що веде до зниження швидкості охолодження швів та наплавлених валиків, є позитивним щодо стійкості до тріщино утворення.

Для того, щоб не отримати технологічних дефектів застосовують попередній підігрів до температури 370..570 К. Це дозволяє збільшити погонну енергію і одержати необхідну швидкість охолодження, яка в свою чергу, дозволяла б отримувати структуру, яка буде не схильною до утворення тріщин.