Свариваемость материалов
..pdf6.4.2.1. Расчетные методы. При разработке расчетных м тодов применяют два основных методических подхода. Первый используют параметрические уравнения, полученные статисти ческой обработкой экспериментальных данных. Они связывают выходные параметры (показатель склонности к трещинам, тре буемую температуру подогрева и другие) с входными парамет рами (химическим составом, режимом сварки и другие) без анализа физических процессов в металлах при сварке, обус ловливающих образование трещин. Поэтому их применение ограничено областью, в пределах которой изменялись входные параметры при проведении экспериментов. При этом часто не учитывается все многообразие факторов, влияющих на образо вание трещин, в том числе и существенно значимых. Второй предусматривает анализ физических процессов в металлах при сварке, обусловливающих образование трещин. В этом случае используются концептуальные физические модели процесса разрушения при образовании трещин, аналитические зависи мости законов металлофизики, регрессионные уравнения, опи сывающие характеристики и константы материалов на основе статистической обработки опытных данных. Такие расчетные методы имеют более универсальный характер, чем параметри ческие уравнения, и позволяют учитывать достаточно широкий ряд металлургических, технологических и геометрических фак торов. Выполнение расчетов производится с помощью ЭВМ.
В настоящее время широко используются следующие пара метрические уравнения:
1. Расчет значения эквивалента углерода СЭКв
Сэкв —б |
Мп |
Si |
Hi- |
Сг . Мо |
(6. 2) |
|
6 |
24 |
~ Г + _ Т ' |
||||
|
io |
|
'где символы элементов и их содержание в %.
Стали, у которых СЭкв>0,45 %, считаются потенциально склонными к образованию трещин. СЭкв является обобщенным параметром состава стали, характеризующим ее прокаливаемость. При СЭкв>0,45 % при сварке становится возможным образование закалочных структур в металле сварного соедине ния, что при условии насыщения ме'талла водородом и высо ких сварочных напряжений может привести к образованию хо лодных трещин. Значение Сэкв вне связи с этими условиями не может служить показателем действительной склонности свар ного соединения к трещинам.
2. Расчет параметра трещинообразования PWi % [5, 8]
Яг
P w — ^см Н |
4 0 .104 ’ |
|
|
|
(6.3) |
||
60 |
|
|
|
|
|||
Si |
Мп |
. - |
Сг |
Си |
Ni . |
Мо |
|
Ясм= С + |
20 |
+ |
20 |
20 |
60 + |
15 |
5В,% , |
30 |
|||||||
где Ягл — количест0о диффузионного водорода |
в металле шва, |
||
установленное г^ицериновым методом, мл/100 |
г |
(соотношение |
|
с ртутным метолОЛ1 |
МИС Ягл= 0,64 Ямис—0,93); |
К — коэффи |
|
циент интенсивности |
жесткости, Н/(мм-мм) |
(К=Ко6; К0— |
|
постоянная, имек>ща^ значения в пределах 200—1000 Н/(мм2х Хмм) в зависиц!ос'Ги от жесткости конструкции, для пробы Тэккен 685; б — тещ ина стали, мм.
При Ри>>0,28б возможно образование холодных трещин в зоне термического влияния в корне шва сварного соединения
типа пробы «Тэкнен»- Уравнение (6-3) получено статистической обработкой результатов испытаний с помощью пробы «Тэккен»
применительно к низколегированным сталям с содержанием углерода 0,07—0,22 °/о с пределом текучести 500—700 МПа при сварке с q/v*=l7 кДж/см. Использование (6.3) возможно для указанных составов стали и режима сварки.
Параметр PwИспользуют для расчета предварительной тем
пературы |
подогрева, исключающей |
трещины: Тп= 1440 Рю—392. |
|||||
Например, при |
р =0,286 |
7’п=20 |
°С; |
при |
Рш=0,345 |
(сталь |
|
0,20% С; 0,30% si; °>80 % |
Мп: °-2 % |
СП |
#™ = 3; 6= 20 мм) |
||||
Тп^Юб °С. |
стойкости |
против |
холодных трещин |
стыковых |
|||
3. |
Расчет |
||||||
сварных соединений жестко закрепленных элементов может быть выполнен с помощью компьютерных программ [11, 12]. Программный компЛ®кс «Свариваемость легированных сталей» позволяет выполнить расчеты кинетики физических процессов и их выходных параметров, определяющих показатели свари
ваемости. |
|
|
|
|
|
|
Путем сопоставления действительных и критических значе |
||||
ний факторов трещинообразования |
(структуры, водорода и на |
||||
пряжений) |
оценивается стойкость |
сварных соединений против |
|||
трещин (рис. 6.14). |
|
|
|
||
|
Например: а св<(т„р— условие |
стойкости ЗТВ сварных соединений про |
|||
тив |
образования холодных |
трещин; |
сг„р=сГо.2(зтв)(2,753—0,51 # дй;,+0,307 С х |
||
|
X Я д+0,017 |
Яд2—4,186 |
С—0,005 |
5 Д—4,457 d3+ 10,213 C-d3—0,54 Я д+ |
|
|
|
+0,005 С-Яд+0,005 S A -da+1,021 С2+0,058 d \. |
|||
W |
сГкр — критическое разрушающее напряжение, регрессионное уравнение |
||||
для которого получено статистической обработкой результатов испытаний
сталей на замедленное разрушение в |
условиях термического |
цикла сварки; |
||
ffo,2(зтв) — предел |
текучести ЗТВ; % |
С — содержание |
углерода; 5 Д — дей |
|
ствительное содержание структурных |
составляющих |
(« + » S n — мартенсит, |
||
остальное бейнит; |
«—»SB — ферритоперлит, остальное бейннт); |
da — диаметр |
||
действительного аустенитного зерна, мм; Я д — действительная |
концентрация |
|||
хроматографического диффузионного водорода в ЗТВ, см3/Ю0 г. Действитель ные значения параметров рассчитаны на основе анализа физических процессов в металле при сварке.
Если условие стойкости против трещин не обеспечивается, то в автоматическом режиме счета определяются значения по гонной энергии сваркц, температуры подогрева, исходное со держание водорода в шве и жесткость закрепления сваривае
мых элементов, которые обеспечивают отсутствие холодных трещин. Математические соотношения и модели,чиспользуемые в программе, рассмотрены в III томе справочника по сварке
вразделе «Расчетные методы».
'6.4.2.2. Сварочные технологические пробы. Технологические
пробы по характеру использования получаемых результатов
I
Рис. 6.16. Технологическая сварочная проба СЭВ—19XT для испытаний на образование холодных трещин
6 |
m |
t |
п |
12, |
16, |
20 |
30 |
60 |
35 |
|
30, |
40 |
|
50 |
100 |
50 |
|
можно разделить нД пР°бы лабораторного и отраслевого на значения. Первые д#*^ сравнительную оценку материалам или технологически^ варйанта1!| безотносительно к определенному виду сварных консГрУкцийслужат для рассортировки материалов и исслеД^вания влияния рззличных факторов на склонность к трещиН^м' Пробы отраслевого назначения позво ляют получать приД^а,®нУю °ДенкУ материалов в условиях максимально приблИ7^ 11111^ к констРУктивным, технологиче ским и климатическим Условиям изготовления сварных кон
струкций определенН°го виДа- ^ их помощью выбирают мате риалы и технологий обеспечивающие стойкость сварных со
единений против треН*ян- |
ла |
||||
П р о б а |
СЭВ—19ХТ |
||||
(ГОСТ |
26388-84) |
^ набоР |
60° |
||
трех |
плоских |
прямоУгольных |
|
||
составных образцов толщиной |
|
||||
12—40 мм с различно® общей |
|
||||
длиной |
свариваемых |
элемен |
|
||
тов 100, 150 и 300 м^> жестко |
|
||||
закрепленных по коННам (Рис- |
|
||||
6.15). Для закрепления образ |
|
||||
цов |
к |
ним |
предваРительно |
Рис. 6.16. Технологическая сварочная |
|
привариваются |
специальные |
||||
концевики. Перед сваРк°й об |
проба «Тэккен» |
||||
|
|||||
разцы закрепляются |
н зажим |
|
|||
ном приспособлении, представляющем массивную плиту с про резями, в которые помещаются концевики и закрепляются прижимными болтами. Сварка пробы выполняется однопро ходным швом одновременно всех трех образцов. После сварки проба выдерживается в закрепленном состоянии в течение 20 ч. После освобождения пробы из приспособления в ее об разцах выявляются' холодные трещины различными видами контроля, в том числе путем травления поверхности и корня шва и зоны термического влияния 5 %-ным водным раствором азотной кислоты. После просушки образцы разрушают. Про травленные части излома, выявленные визуальным осмотром с помощью лупы с увеличением X 3, принимают за образовав шиеся при испытании трещины.
За количественный показатель склонности к холодным тре щинам принимают максимальную длину свариваемых элемен тов, в которых образовались трещины. Показатель устанавли вают по двум одинаковым результатам испытаний трех проб.
П р о б а «Тэккен» (ГОСТ 26388—84)— плоский прямо угольный образец толщиной 12—40 мм с продольной прорезью в центре, оформленной в виде У-образной разделки (рис. 6.16). Образец сваривается в свободном состоянии и выдерживается после сварки 20 ч. Применение пробы, как правило, ограничи
вается сваркой ручной покрытыми электродами и в защитных газах. Трещины образуются в корневой части сварного соеди нения в результате действия высоких усадочных напряжений.
Обязательное |
условие |
работы |
пробы — наличие |
непровара |
|
в корне |
шва, |
который |
служит |
концентратором напряжений. |
|
Наличие |
трещин выявляется различными методами |
контроля, |
|||
в том числе и протравливанием раствором кислоты с последую щим изломом образца.
При образовании трещин в качестве дополнительного срав нительно-количественного показателя принимают процентное отношение суммарной длины трещины к длине шва или пло щадь трещины к площади сечения шва. За количественный по-
казатель |
стойкости |
против |
|
трещин принимают температу |
|||
ру |
подогрева, при |
которой |
|
уже |
не |
образуется трещин. |
|
|
П р о б а |
ЦНИИТС |
[5, |
8] |
||
|
имеет |
отраслевое |
назначение |
|||
|
применительно к |
судострое- |
||||
|
нию. Представляет |
собой |
на |
|||
|
турный |
образец, |
воспроизво |
|||
Рис. 6.17. Технологическая сварочная |
про дящий |
многослойное стыковое |
||||
ба ЦНИИТС |
соединение |
судовых |
корпус |
|||
Сварку пробы выполняют |
ных конструкций |
(рис. 6.17). |
||||
по технологии, принятой |
при |
произ |
||||
водстве подобного рода конструкций. Через сутки после сварки проба с помощью анодно-механической резки разрезается на заготовки для изготовления из них продольных, послойных и поперечных шлифов. Шлифы после травления исследуют визу ально с помощью лупы с увеличением Х З на наличие трещин.
Количественным показателем стойкости сварных соедине ний против трещин служит численное значение начальной тем пературы пробы перед сваркой, начиная с —25 °С, при которой уже не образуются трещины.
6.4.2.3. Методы специализированных механических испыта ний сварных образцов. Методы специализированных механиче ских испытаний сварных образцов (или «машинные» методы) основаны на доведении зоны металла термического влияния или металла ш'ва до образования холодных трещин под дейст вием напряжений от внешней длительно действующей постоян ной нагрузки [8]. При испытаниях серию образцов нагружают различными по величине нагрузками непосредственно после окончания сварки и выдерживают их под нагрузкой в течение 20 ч. За сравнительный количественный показатель сопротив ляемости металла сварных соединений трещинам принимают минимальное растягивающее напряжение от внешней нагрузки
сгр. min, при которой начинают образовываться трещины.
Показатели сопротивляемости трещинам, получаемые с по мощью машинных испытаний, оценивают только технологиче скую прочность металла сварных соединений. Они могут ис пользоваться для сравнения материалов и технологических ва риантов сварки, однако они не применимы непосредственно для оценки стойкости против трещин сварных соединений кон-
d--=1-J
L |
|
|
|
L |
|
|
ггfn |
|
|
|
|
|
|
t |
|
<С> |
|
(7Т77Т7Т77Т) |
’«Cl |
|
LIь . |
|
|
||||
|
«о |
|
|
|
||
г W |
j |
L L |
----------3 |
“ F |
||
И |
||||||
L Li |
*, |
£ . |
Li |
5- I |
||
|
|
■5 |
|
в |
|
8(20) *100*100
' испытыбаепая сталь
10(12)*100*150
/низкоуглеродистая 2—, сталь
7777777777777777
Рис. 6.18. Образцы н схема нагружения при испытании по методу ЛТП2-3:
а -^толщины 1—3 мм, изгиб распределенной нагрузкой; б, в —толщины 8—20 мм, четырехточечный изгиб вдоль шва и поперек шва соответственно; г — толщины 8— 20 мм, консольный изгиб
струкций, так как для оценки стойкости необходим учет вели чины действующих сварочных напряжений.
М е т о д ЛТП2 (ГОСТ 26388—84) предусматривает испыта ние нескольких типов сварных образцов: плоских круглых тол щиной 1—3 мм с диаметральным швом по схеме изгиба, жестко заделанной по контуру пластинки распределенной на грузкой, плоских прямоугольных толщиной 8—20 мм с попереч ным или продольным швом по схеме четырехточечного изгиба, тавровых толщиной 8—20 мм по схеме консольного изгиба (рис. 6.18). Разрушающие напряжения определяют прибли женно по соотношениям теории упругости:
для плоских круглых образцов
ах{у) = 0,12 ( - ^ - ) а Р = о ,0044 |
( - ^ - J р \ МПа; |
для плоских прямоугольных образцов
а = 0 , 6 5 — |
|
|
— |
, МПа; |
2 L\ + 2 L y L 3 — L \ |
|
|||
где fm — прогиб |
в |
центре |
образца на базе Lu м; /0 — остаточ |
|
ный прогиб в |
центре |
образца на базе L\ после снятия на |
||
грузки, м; б — толщина |
стали, м |
|||
Рис. 6.19. Образец-вставка (а), |
пластина под |
сварку (б) |
и схема нагружения образца |
(в) по методу |
«Имплант* |
для тавровых образцов
а |
бМ. |
МПа, |
|
|
|
|
|
||
где Мизг — изгибающий |
момент, МПа-м; |
b — ширина образца, |
||
м; kcp— средний катет |
углового шва на |
стенке таврового об |
||
разца по пяти измерениям вдоль шва, м. |
|
|||
При напряжениях выше предела текучести основного ме талла точность расчета по приведенным соотношениям суще ственно снижается, так как они не учитывают пластического
течения металла. |
26388—84) предусматри |
М е т о д «Имплант» [8,2] (ГОСТ |
|
вает испытание цилиндрического |
образца — вставки (им |
планта) с винтовым надрезом, который монтируется в отвер стие пластины и частично переплавляется наплавленным на пластину сварным валиком (рис. 6.19). Сварочный термиче ский цикл регулируют, изменяя погонную энергию сварки. За стандартный принят цикл, характеризуемый временем охлаж дения от 800 до 500 °С (ta/e), равным 10 с. В процессе охлаж
дения в диапазоне 150—100 °С образцы нагружают постоян ным растягивающим усилием. Разрушающие напряжения рас считывают приближенно относительно поперечного сечения об
разца в надрезе без учета концентрации напряжений. |
(имита |
М е т о д ЛТП-3 [8] предусматривает моделирование |
|
цию) сварочных термических и термодеформационных |
циклов |
в образцах основного металла, последующее их наводороживание и испытание на замедленное разрушение. Испытываются плоские образцы 1,5X10X100 с боковым надрезом 0,2x3 путем четырехточечного изгиба постоянным длительно действующим моментом (рис. 6.20). Под нагрузкой образцы выдерживаются 20 ч. Имитация сварочных циклов производится проходящим
1,1 I- |
- л \ ° г |
р / г |
60 |
Р /2 |
\ |
L |
^ |
|
J |
|
|
7 _________ 5 7 |
||
|
|
|
U |
|
|
100 |
1 i |
|
L £ |
|
- |
30 |
, |
|
|
|
|||
|
a |
S |
|
|
Рис. 6.20. Образец (а) и схема нагружения (б) при испытании на |
||||
|
замедленное разрушение по методу ЛТПЗ |
|
||
электрическим |
током, |
наводороживание — электролитическим |
||
способом, надрез после |
наводороживания — тонким наждач |
|||
ным кругом. За количественный показатель сопротивляемости замедленному разрушению принимается минимальное среднее напряжение, приводящее к образованию трещины в сечении с надрезом (<тР.mm). Расчет разрушающего напряжения выпол няется приближенно по соотношению для упругого нагружения бруса по схеме чистого изгиба. Поэтому показатель использу ется для сравнения влияния исследуемых факторов (состава, структуры, концентрации водорода и др.).
За рубежом применяют аналогичные испытания на замед ление разрушения по методам «Терморестор» [29] и «Smithweld» [30].
6.5. Ламелярные трещины
6.5.1. Природа и причины образования трещин
Ламелярные трещины — трещины в ЗТВ, образующиеся парал лельно поверхности свариваемых листов, имеющие ступенча тый (каскадный) характер. Визуально наблюдаются после окончания сварки и завершения охлаждения. Излом трещин хрупкий, без следов окисления, большую часть которого
составляют плоские древовидные участки (имеющие вид расщеп ленного дерева). Эти участки совпадают со слоистостью ме талла, образующейся в результате прокатки, и по этой при чине трещины получили название ламелярных (слоистых тре щин или слоистого растрескивания). Образуются, как правило, в угловых и тавровых соединениях низколегированных сталей мартеновской и конвертерной выплавки под действием свароч ных напряжений, направленных по толщине свариваемых ли стов. По многим внешним признакам напоминают холодные трещины, поэтому часто рассматриваются как таковые. При этом по мере увеличения содержания углерода в стали стано вится возможным одновременное образование ламелярных и холодных трещин, а при содержании 0 0 ,3 0 % преимущест венно образуются холодные трещины. В последнем случае со противляемость холодным трещинам существенно ниже, чем ламелярным.
Исследованиями многих авторов установлено, что образо вание ламелярных трещин связано с наличием в металле вы тянутых плоских неметаллических включений типа сульфидов и силикатов [2,8]. Существует ряд предположений о механизме разрушения при возникновении ламелярных трещин: механиче ское отделение неметаллических включений от металлической матрицы вследствие слабого их сцепления, отрый неметалли ческих включений в результате различной величины термиче ского расширения й сокращения металла и включений, охрупчивающего действия водорода, концентрирующегося на межфаз ной поверхности и др. При этом важную роль играют концен трация напряжений у заостроенных концов включений, их длина в отношении к критической для дальнейшего распро странения, подкалка и охрупчивание водородом металлической матрицы в ЗТВ.
Для предотвращения ламелярных трещин применяют кон структивные и технологические мероприятия: выбор конструк ции сварного узла, при котором сварочные напряжения по на правлению толщины листа минимальны, предварительный и
последующий подогрев, |
наплавка |
на свариваемые кромки. |
|
Наиболее |
эффективный |
способ — повышение качества стали |
|
главным |
образом за счет снижения |
содержания серы. |
|
6.5.2. Способы и критерии оценки
Поскольку отмечено сходство ламелярных и холодных трещин по ряду внешних признаков и зависимости от одних и тех же основных факторов (подкалка ЗТВ, водород, сварочные напря жения 1-го рода), то и многие способы оценки склонности к ламелярным трещинам подобны применяемым в отношении холодных трещин. При этом учитывается специфика их распо-
ложения параллельно поверхности свариваемых листов, а также то, что наибольшая плотность неметаллических включений имеет место в срединной части листов. Для оценки склонности к ламелярным трещинам применяют сварочные технологические пробы, машинные испытания сварных образцов или основного металла.
Рис. 6.21. Технологическая сварочная проба СЭВ—19XT для испытаний на образо вание ламелярных трещин
П р о б а СЭВ— 19ХТ, модифицированная с учетом особен ностей ламелярных трещин, может быть использована для оценки склонности к их образованию (рис. 6.21) [13]. При ис
пытаниях сваривается |
угловое |
||
соединение. |
с |
исполь |
|
Ме т о д |
ЛТП2-3 |
||
зованием |
таврового |
сварного |
|
образца — один из |
эффектив |
||
ных методов определения со противляемости стали ламе лярным трещинам (§ 6.2.3.2.3). Процедура испытаний и пока
затель |
|
сопротивляемости |
ана |
|
логичны |
испытаниям |
на |
хо |
|
лодные |
трещины. |
[2]. Ос |
||
М е т о д «Веритас» |
||||
нован |
на механическом испы |
|||
тании |
листового металла, |
при |
||
котором |
растягивающие |
уси |
||
лия |
прикладываются |
вдоль |
||
толщины листа. Образцы изготавливают из заготовок, получа емых путем приварки перпендикулярно поверхностям листа пластин-концевиков. При этом используют сварку трением, контактную, ручную дуговую. Заготовки разрезают на части, из которых механическим путем изготовляют образцы с круг лым или квадратным сечением (диаметр или сторона квадрата около 0,6 толщины листа) (рис. 6.22). Испытывают шесть об разцов, вырезанных из одного участка пластины.
В результате испытаний определяют среднее относительное поперечное сужение фг, которое и принимается за показатель