§ 2. Прочность сварных соединений

Наиболее характерной особенностью соединений, выполнен­ных сваркой плавлением, является наличие зон с различными механическими свойствами. Металл шва имеет литую структуру. В общем случае его свойства зависят от химического состава металла, получающегося в результате смешивания основного металла с наплавленным, скорости охлаждения, характера кри­сталлизации, насыщенности газами, а также от величины и рас­пределения различных несовершенств в металле литой структу­ры: мелких неметаллических включений, микропор, микротре­щин, ликвации и др. Более крупные несплошности, такие как шлаковые включения, поры, трещины, несплавления, относят не к дефектам структуры, а к дефектам соединения.

К шву примякает ряд зон, свойства и протяженность кото­рых в каждом конкретном случае зависят от марки металла, исходного структурного состояния, теплового режима сварки,. определяющего ширину зон, длительность пребывания металла при высоких температурах и скорость его охлаждения. Ввиду многообразия свариваемых материалов не представляется воз­можным дать общую характеристику свойств этих зон.

Свойства стыковых сварных соединений, выявляемые стати­ческими испытаниями на растяжение поперек шва, вдоль шва или одновременно в двух направлениях, зависят от механиче­ских свойств отдельных зон, их сочетания и размеров.

202

При испытании поперек шва в большинстве случаев проч­ность сварного соединения определяется свойствами наименее прочной зоны с пониженным значением предела текучести с_т и временного сопротивления о_в. В ней в первую очередь начи­нается пластическая деформация, возникает утонение, а затем и разрушение.

На рис. 9-5 показа­но распределение твер­дости в сварном соеди­нении из нагартованно-го сплава АМг-6, s=2,8 мм. Нагрев при сварке вызвал разуп­рочнение металла в околошовной зоне ши­риной до 16—18 мм. Соответственно пони­зились предел текуче­сти и предел прочно­сти. Аналогичные явле­ния наблюдаются в других нагартованных металлах, а также в металлах, поступаю­щих на сварку в терми­чески упрочненном со­стоянии. В табл. 9.3 приведены размеры зон разупрочнения и изменение механических свойств в нагартован­ных металлах. Понижение прочности сопровождается увеличе­нием пластичности металла.

Если зона (прослойка) с низким пределом текучести имеет небольшую относительную ширину h/s (где h — абсолютная ши­рина прослойки) (рис. 9-6), то после протекания некоторой пла­стической деформации в ней возникает объемное напряженное состояние, препятствующее дальнейшей деформации. Пластиче­ская деформация охватывает соседние более прочные зоны и раз­рушение в этом случае происходит при о>о_в. _пр (с_в. _пр —вре­менное сопротивление металла прослойки). Усилие, разрушаю­щее образец из сварного соединения, в этом случае возрастает. Объясняется это тем, что разрушающее усилие Р _pasp примерно равно произведению истинного разрушающего напряжения <у_др на сечение образца в зоне утонения в момент разрушения F_y

р — о F

Если каким-либо образом достигается увеличение F_у к мо­менту разрушения, то возрастает Р_разр; а_др, разумеется, остается

2о------^-j_-_j__.-----------_------

'О — | [ | I ' -L- —-------------

1111. ,111111

О 2 * В 8 Ю 12 /* fg Г8 20 22 2$ 2B *#

Рис. 9-5. Распределение твердости по Внкерсу в сиарном соединении из нагартовашюго спла­ва АМгб при s=2,8 мм-

203

Таблица 9.3

Изменение свойств нагартоваиного металла а сварных стыковых соединениях

Металл

Половина ширины

зоны раз­упрочнения

в сварном соединении при толщи­не металла

3 мм, мм

Основной металл в на­га ртованном

состояний

"в, кГ'.мм-

угол загиба I, град

Сварное соедине­нна я зоне разупрочнения

кПмм*

угол загиба

а', град

Алюминиевый сплав

АМг-6, s=2,8 мм; автома­тическая аргонодуговая сварка ........

Сталь 1XI8H9T, з=3мм; автоматическая сварка под флюсом........

16-18

12-14

41

ПО

35

34

55

150

неизменным. В данном случае F_y возрастает из-за препятст­вия деформации со стороны более прочных зон. При весьма малых значениях hjs разрушение может произойти в более проч­ном основном металле, находящемся за пределами зоны терми-- _й * ря-с—, - ■ ■ ческого влияния. На

' ^й ' ' ^№ *^{jl 1} рис. 9-6 показан характер

зависимости а_в, величины пластического удлинения образца Д и поперечного сужения ф от относитель­ной ширины прослой­ки hjs.

Более прочные, но ме­нее пластичные прослой­ки при испытании поперек шва могут не проявить своей низкой пластично­сти благодаря пластиче­ской деформации сосед­них зон с более низ­ким о_т. Характеристика свойств сварного соединения может корен­ным образом изменяться при растяжении образца вдоль шва. В этом случае деформация всех зон в продольном направлении одинакова, в то время как рост напряжений в отдельных зонах происходит в соответствии с диаграммами ai=f(e\) для металла каждой зоны (рис. 9-7). В более прочных зонах напряжения

ш

Рис. 9-6. Зависимость ст„, Д и i|i от от­носительной толщины Л/s мягкой про­слойки

204

о

2^У	\	\?	А А
	1^	\	■
	V

J 2 Г

т. А~ разрушение

будут выше. Момент разрушения зависит от деформационной способности наименее пластичной зоны. При низкой пластич­ности отдельных зон разрушение может произойти при низких средних напряжениях, так как деформации пластичных зон к моменту разрушения будут невелики, а следовательно, ока­жутся менее значительными и напряжения в них. Аналогичные явления наблюдаются и при двухосном растяжении.

Неоднородность в механических свойствах различных зон приводит к снижению прочности и пластичности стыковых свар­ных соединений. Например, при испытании сварных стыковых соединений из высокопрочных сталей, как правило, обнаружи­вается, что при одноосном растяжении поперек шва сварные стыковые соединения примерно равнопрочны основному метал­лу, а при двухосном растяжении вследст­вие пониженной пла­стичности металла шва имеет место некоторое снижение пластичности и прочности (табл. 9.4).

При испытании на угол загиба образцов, вырезанных поперек шва, пластическая де­формация сосредото­чивается в зонах с бо­лее низким а_т, т. е. в зонах, где пластич­ность, как правило,

выше. Это искажает результаты испытаний. Испытания на угол загиба образцов, вырезанных вдоль шва, дают обычно более низкие показатели пластичности, так как она определяется в ос­новном свойствами наименее пластичной зоны. Степень неодно­родности свойств отдельных зон, как указывалось выше, зависит от основного материала, способа сварки и качества защиты нагретого металла от воздуха.

Характеристиками механических свойств сварных швов и со­единений при их работе под статической нагрузкой в соответ­ствии с ГОСТом являются: предел прочности а'_я, предел теку­чести <?_т, относительное удлинение при разрыве б', коэффициент поперечного сужения ц/, угол загиба а'. Испытания проводятся согласно ГОСТ 6996 — 66.

Определение предела прочности металла шва при разрыве производится на круглых выточенных образцах длиной /=18, 36, 60 мм и т. д., разных диаметров d₀ = S, 6, 10 мм и т. д. На рис. 9-8, а приведен пример одного из образцов. На таких же образцах находится величина предела текучести и'_Т, относитель-

Рис. 9-7. Диаграммы зависимости о"д=/(е_д)

в различных зонах сварного соединения при

растяжении вдоль шва:

( — основной металл; 2 — зони термического влияния; 3 — шов

205

Таблица 9.4

Механические свойства основного металла и сварных соединений высокопрочных сталей при двухосном растяжении

Материал, вид сварки н термообработка	кГ!мм>	Ва кГ/мм1	£( разр	ei разр	"др-	кПмм"
Сталь СП-28, s = =2,5 мм, аргонодуговая сварка, 1-й слой без при­садки, 2-й слой с при­садкой I8XMA, закалка с 940° С {30 мин) в мас­ло, отпуск с 320° С 1,5 ч, охлаждение па воздухе	168ч-172	170	0,25	0,105^0,21	194	186-И92
Сталь СП-43, s = = 2,2 мм, аргонодуговая однопроходная сварка без присадки, закалка с 950° С (10 мин) на воз­духе, отпуск 300° С 4 ч, охлаждение па воздухе	197-S-199	198	0,29	0,2^0,25	234	226^231

Примечание: о_В( и з_в — временное сопротивление при двухосном растяжении;

^£i рази " ^Et разр ~~ эквивалентная деформация металла в момент разрушения при двухосном растяжении; °ю ^и "лр ~ -^кстонтсльное напряжение о металле в момент разру­шения при двухосном растяжении,

кого удлинения шва при разрыве 6' и коэффициента ij/. В от­дельных случаях вместо условного предела текучести ст_т нахо­дят напряжение, вызывающее заданную относительную остаточ­ную деформацию г'.

Определение предела прочности сварного соединения произ­водят на образцах, изображенных на рис. 9-8,6. Для толщины'' s — 10-ь 25 мм, & = 25 мм, &_t=30 мм, длина /=100 мм, величи­на h зависит от конструкции испытательной машины.

Для низкоуглеродистых и ряда низколегированных сталей современные способы ручной и автоматизированной сварки прак­тически обеспечивают равнопрочность сварного соединения основному металлу при пластичности металла, не уступающей исходным показателям. Для углеродистых и ряда низколегиро­ванных сталей предел прочности металла сварных шпон соеди­нений встык о в, как правило, не ниже предела прочности основ­ного металла элемента о_в. Модуль упругости наплавленного ме­талла шьа незначительно отличается от модуля упругости основного металла. В табл. 9.5 в качестве примера приведены

206

механические свойства исходного металла и свойства металла швов, получаемых при сварке стыковых соединений. В табл. 9.6 согласно ГОСТ 9467 — 60 приведены механические свойства ме­талла шва, получаемого при применении соответствующих типов электродов, а также механи­ческие свойства стыковых соединений, сваренных эти­ми электродами.

Высокие механические свойства могут быть получе­ны при сварке высокопроч­ных сталей с пределом проч­ности более 100—\20кГ/мм². Однако при этом, как пра­вило, необходима последую­щая термическая обработка. При сварке термически уп­рочненных сталей образует­ся зона высокого отпуска с пониженным пределом те­кучести, в то время как сам шов и примыкающая к нему зона после сварки находят­ся в закаленном состоянии. Если зона разупрочнения

в этом случае незначительна по ширине или понижение прочно­сти несущественно, то достаточно сварной конструкции дать

Таблица 9,5 Свойства исходного металла и металла швов в стыковых сварных соединениях

Рис. 9-8. Образцы для испытаний на растяжение:

а) из наплавленного металла; б) из свар­ного соединения

Металл или сварное соединение	Предел текучести " $■' к Г mm*	Про дел прочности гг kI'imm-	Относи­тельное удлинение	Ко зф||ш- шк'нт поперечно­го сужения
МСт.З в состоянии поставки, об-	29,3 32,4	45.5 47,0	36,7 22,1	65,9
Сварное соединение на стали МСт.З под керамическим флюсом K-I4, сварка в три слоя, s=!3 мм, образцы 06 мм вырезаны поперек				62,1
Сталь 15ХСНД в состоянии постав­ки (без термообработки)..... Металл шва, полученный при авто­матической сварке в среде углекис­лого газа пластин из стали 15ХСНД,	35 46,0	50 65,0	21 22,2	_

207

Таблица 9.6

Механические свойства наплавленного металла и стыковых сварных соединений

	Механические сеоГнства металла Шва или наплавленного металла при применении электродов Диаметром более 2,5 мм			Механические свойства срар-fioro соединения при примене­нии электродов диаметром 2,5 мм и менее
Тип электрода	временное сопротивление разрыву а кГ1мм*	относительное удлинение 8. %	ударная вязкость аш, КГ ■ MJCM?	временное сопротивление разрыву Од, кГ/мм*	угол загиба «', град
	не менее			не менее
Э34	34	__	__	34	30
Э42	42	18	8,0	42	120
Э42Л	42	22	14,0	42	180
Э4б	46	18	8,0	46	120
Э46А	46	22	14,0	46	150
Э50	50	16	6,0	50	90
Э50Л	50	20	13,0	50	150
Э55	55	20	12,0	55	140
Э60	60	16	6,0	—	_
360А	60	18	10,0	__	_
370	70	12	6,0	_	—
385	85	12	5,0	_	__
3100	100	10	5,0	„	—
3125	125	6	4,0	—	--
ЭИ5	145	5	4,0	—	—•

П р и м с ч а н II е. Для электродов типов Э85, Э100, Э125, Э145 механические свойства указаны после термической обработки.

отпуск для смягчения закалочных структур и повышения пла­стичности в шве и околошовной зоне. Нередко необходимо иметь равнопрочное сварное соединение, что достигается обычно за­калкой после сварки и последующим отпуском. В этом случае целесообразно производить сварку металла в отпущенном или отожженном состоянии, так как предварительные механические операции резки, гибки, зачистки легче производить на более мягком металле. Данные, приведенные в табл. 9.4, свидетельству­ют о том, что современные способы сварки обеспечивают доста­точно высокую прочность сварных соединений из высокопрочных сталей.

208

В настоящее время сваривается большинство алюминиевых сплавов, однако механические свойства сварных соединений в за­висимости от способа сварки и характера защиты оказываются различными. Алюминиевые сплавы сваривают дугой в среде за­щитных газов — аргона и в более редких случаях — гелия, с флюсовой защитой, специальными электродами, в очень ред­ких случаях — газовой сваркой.

Алюминиевые сплавы в среде аргона сваривают вольфрамо­вым и плавящимся электродами. Последний способ производи­тельнее, но первый позволяет в некоторых случаях получить более высокие механические свойства швов, например, при свар­ке элементов очень малых толщин.

Сварные соединения алюминиевых сплавов, выполненные дугой, имеют механические свойства, отличные от основного ме­талла. В мягких сплавах, а также в сплавах, находящихся в ненагартованном состоянии, предел прочности шва приближа­ется к пределу прочности основного металла. В алюминиевых сплавах, которые в исходном состоянии нагартованы, термиче­ски упрочнены пли состарены, в зоне термического влияния име­ет место значительное снижение твердости, предела прочности и предела текучести. Лишь в самом шве указанные показатели несколько повышаются.

Таким образом, пределы прочности сварных соединений в уп­рочненных сплавах заметно понижены, по сравнению с предела­ми прочности основных сплавов, и составляют 0,7—0,9 от них.

Сварные соединения полунагартовапных сплавов занимают -промежуточное положение. Как правило, некоторое увеличение толщины шва способствует повышению прочности сварных со­единений, работающих под статическими нагрузками. Прочность сварных соединений алюминиевых сплавов может быть повыше­на механической или термической обработкой.

На рис. 9-9 приведены характеристики прочности стыковых сварных соединений алюминиевых сплавов при снятом н несня­том усилениях. Как видно из цифр, хорошей прочностью при снятых усилениях обладают соединения из сплава ЛМг-6. Суще­ственно, что при относительно высокой прочности соединения из этого сплава пластичны, их угол загиба составляет 60—70° (что соответствует основному металлу). При правильно подобранном технологическом процессе швы получаются плотными, без пор и кристаллизационных трещин.

Значительное большинство алюминиевых сплавов хорошо сва­ривается контактной сваркой. В алюминиевых конструкциях широко применяют точечные и роликовые швы. Современные контактные машины обеспечивают высокое качество соединений деталей из алюминиевых сплавов малых и средних толщин: с толщиной 7-f 7 мм при постановке точек и до 4+4 мм при ро­ликовых швах (рис. 9-10).

Н 823

209

^

^

3_й

1. t^J

-st-	^O4*1	~~
^	*rr^		\ **
	/	>^%

^

Ы

1 -it. 5)		/		-—
			> 4a
			V\ I
			-

tD 'Q * °M

CC*

< as е. о		н
CJ M
^ ,->• m s		^
Ci		■£ i
ш Я С
К П p		'***
s~*		1?
«J ю и		"'*
3 — Й	- -
		■ечн
«3 0-;_	со 0)
•u si	л	5й^
— о	X as
- ь^и		|Ч2
та ' И	н	* | «=t
■в1 m -в 41Й		Й*
m«g		1*
		■ч.-г'
		,
0. R Г		41

S
*i
о	я
	в
m ^
° о,	>>
о 2	а
•Ч
S3 м	€1 к 2 К
(D	Et Hi-
=• »
К О	<1 (j
	>i
га сз
х ^	•d S.'!
	е.10
я *

P QJ сч

£9 p. to

cu

При сварке аустенитных сталей, многих жаропрочных спла­вов и титана механические свойства сварных соединений не усту­пают основному металлу.

Однако титановые сплавы обладают высоким сродством к кислороду, азоту и водороду. При высоком качестве защиты сварные соединения равнопрочны основному металлу и облада­ют достаточной пластичностью, по сравнению с исходным ме­таллом. Ухудшение защиты приводит к резкому снижению пла­стичности и, несмотря на повышение прочности металла, свар­ные соединения при наличии концентраторов или нагружении вдоль шва являются керавнопрочнымн.

Форма различ-

тыс. нГ z_g, ^н1~/мм²

Рис. 9-11. Графики изменения предельной на­грузки Р„ и предела прочности т_а двухсрез-ных электрозаклепочных соединений в зависи­мости от количества электрозаклепок -в про­дольном ряду

пых сварных соеди­нений неодинакова, что также оказывает влияние на механи­ческие свойства со­единений. Стыковые соединения с пол­ным проваром отли­чаются от других сварных соединений наименьшей кон­центрацией напря­жений (см. главу V). В лобовых швах низкоуглеродистых, низколегированных и аустенитных ста­лей, а также пластичных алюминиевых сплавов при нормальной температуре, концентратор обычно не оказывает заметного влияния на прочность. В тавровых сварных соединениях кон­центратор ориентирован неблагоприятно относительно силового потока, что может заметно отразиться на деформационной спо­собности при пониженных температурах. Фланговые швы при нагружении деформируются по длине неравномерно. Концентра­ция сдвиговых деформаций у концов шва вызывает срез участка шва еще до появления полного разрушения. При пониженных температурах, когда проявляется хрупкость металла, это приво­дит к распространению разрушения по основному металлу. Неравномерность распределения усилий по длине шва особенно заметна в многоточечных сварных соединениях. При числе точек в продольном ряду более пяти предельная нагрузка не возраста­ет, так как разрушение точек идет последовательно, начиная с крайних (рис. 9-11).

Концентрация напряжений создается не только формой свар­ных соединений, но и возможными дефектами. Непровар, распо-

211

ложенный поперек силового потока, особенно в стыковых соеди­нениях, вызывает значительную концентрацию деформаций и напряжений. Расположенный несимметрично в корне шва он создает дополнительный изгиб. На рис. 9-12, а показано, что при статическом растяжении сварных стыковых соединений из стал» Х18Н9Т и низкоуглеродистой стали непровар в корне шва сни­жает прочность соединений пропорционально уменьшению рабо­чего сечения, а это указывает на нечувствительность этих мате­риалов при статическом нагруженин к концентрации напряже­ний. При тех же условиях в соединениях из стали ЗОХГСНА

Иепро6ар,% Непродар,%

Рис. 9-12. Прочность стыковых сварных соединений без усилетш с иопро-варом в корне шва при статическом растяжении:

а) сталь Х18Н9Т и Ст. 3; 0) сталь ЗОХГСНА; ^«-150-^170 кГ>мм\ флю'С ЛН-3. проволока I8XMA (/); сплав Д16Т. а_в — 52^-44 кГ/мм¹, саарка в аргоне прояолоко* АК (?); <т_в.р, с_ИъЯ — пределы прочности: расчетный и действительный

и сплава Д16Т фактическое снижение прочности оказывается больше, чем это следует из расчета, учитывающего величину непровара (рис. 9-12,6).

В иизкоуглеродистых сталях после деформационного старе­ния в несколько раз уменьшается способность материала к уп­рочнению при пластической деформации. Было установлено, что-в этих условиях происходит падение прочности надрезанных образцов при отрицательных температурах (рис. 9-13). Одновре­менно было показано, что предварительное нагружение при ком­натной температуре ненадрезанных образцов с последующим нанесением надрезов повышает их прочность при отрицательной! температуре.

212

Многочисленными экспериментами установлено, что остаточ­ные одноосные и двухосные пластические деформации и напря­жения, если они образуются в соединениях из пластичных метал­лов без резких концентраторов, не оказывают существенного влияния на статическую прочность. Остаточные на- ^аФ' ^нГ^^мм2 пряжения в этом случае, суммируясь с рабочими на­пряжениями, вызывают пла­стические деформации ме­талла. При отсутствии рез­ких концентраторов это не представляет опасности для пластичных металлов. Сва­рочные деформации, состав­ляющие на гладком металле около 1—2%, при наличии концентраторов создают су­щественное исчерпание пла­стичности металла. Помимо исчерпания пластичности в перлитных сталях, одно­временно протекает дефор­мационное старение, вызы­вающее повышение предела текучести металла и снижение его пластичности.

При отрицательных температурах прочность сварных соеди­нений, имеющих острые концентраторы в зоне термического

б„, кГ/_тг

-щ%

Рис. 9-13. Зависимость среднего раз­рушающего напряжения 0_ср надре­занных образцов из низкоуглероди­стой стали при 7*=—50° С от величи­ны пластической деформации метал­ла е_пл, созданной перед деформаци­онным старением (Г=250°С, 2 ч) и нанесением надрезов

-60

-w

Piic. 9-14. Изменение предела прочности свобод­ных крестовых образцов в зависимости от темпе­ратуры

влияния, может существенно снижаться (рис. 9-14). Несмотря на то, что в некотором диапазоне отрицательных температур-прочность сварных соединений сохраняется . неизменной,

213

пластичность металла в зоне концентраторов, как показывают специальные исследования, непрерывно понижается (рис. 9-15, а, кривая 2). Когда пластичность значительно снижается, обнару­живается также резкое снижение прочности надрезанных образ­цов (рис. 9-15,6, кривая 2).

-so -jo -но -зо -го -to о +гв +го +зо

-60 -50 -W -30 -20 -10 0+10 +20 +30

Рис. 9-15. Пластичность (а) и прочность (6)

надрезанных образцов из стали 22К,: / — в исходном состоянии; 2 — после переплавки металла «о кромке с надрезом; 3 — после пере­плавки но кромке с надрезом и высокого отпуска