Свариваемость материалов

Константа растворимости водорода К зависит от темпера­ туры и состава металла, которая может быть определена урав­

нением

174е;

Растворимость водорода в железе при парциальном давле­ нии рнг=0,1 МПа в зависимости от температуры показана на рис. 3.7.

Для приближенной оценки растворимости водорода в рас­ плавленном железе при абсолютной температуре Т и парци-

На основании расчетов по приведенному уравнению по­ строены кривые (рис. 3 .8 ).

3.3.2. Взаимодействие металла со шлаками

Шлаками называют расплавы неметаллических соединений — оксидов, галлоидов, сульфидов и т. д., как свободных, так и образующих комплексные соединения. В условиях сварки шлаки образуются при расплавлении сварочного флюса, элек­ тродного покрытия, сердечника порошковой проволоки, а также могут появляться самопроизвольно, например в результате вза­ имодействия металла с защитной средой.

Химическое воздействие расплавленного шлака на металл шва в значительной степени определяется соотношением в его составе кислых, основных и амфотерных оксидов. Фториды и

Если в покрытие или керамический флюс введено сразу не­ сколько ферросплавов, то в первую очередь окисляются эле­ менты, обладающие большим сродством к кислороду. По сте­ пени убывания сродства к кислороду элементы, вводимые в со­ став электродных покрытий, можно расположить в следующий ряд: Ca->-Al-»-Ti->-Si-»-Mn->-Fe.

Для оценки химической активности сварочных шлаков удобнее всего использовать суммарное количество кислорода, участвующего в окислительно-восстановительных реакциях на межфазной границе. Указанный кислород должен быть связан с химическим составом шлака

выражением вида

0,10

суммарную химическую активность шлака по уравнению (3.39) можно переписать:

Корреляционная зависимость содержания кислорода в на­ плавленном метадЛе от коэффициента относительной химиче­ ской активности щЛака ПРИ С0арке под флюсом, найденная на основе эксперимен'Гальных Данных, представлена на рис. 3.9.

3.3.3. Влияние фиэик0‘химических реакций на качество металлО шва

В процессе крист0 ллизации сварочной ванны растворимость азота, водорода и кислорода снижается скачкообразно и воз­ никают предпосылки для обратного их выделения. Это может явиться одним из факторов, способствующих или обусловли­ вающих появление я развитие пор в металле шва.

Одновременно с изложенным повышение концентрации пе­ речисленных газов в металле швов может способствовать сни­ жению механических свойств сварных соединений, образова­ нию трещин и т. д.

Кислород. Как уже отмечалось, окисление металла приво­ дит преимущественно к тому, что продукты раскисления реак­ ций вида (3.23) остаются в закристаллизовавшемся металле в виде мелкодисперсных оксидных включений, повышая общую концентрацию в нем кислорода.

Повышение общей концентрации кислорода в металле швов спо­ собствует снижению пластично­ сти и ударной вязкости металла (рис. 3.10). В дополнение

к этому насыщение металла кислородом может явиться одной из причин старения металла шва.

Оксиды по границам зерен снижают ударную вязкость и усталостную прочность. Тонкие пленки оксидов, образующиеся при сварке высоколегированных сталей на поверхности шва, даже в среде защитных газов снижают коррозионную стой­ кость и их необходимо удалить травлением [7].

Азот. Увеличение концентрации азота в низкоуглеродиетых и низколегированных сталях оказывает существенное влияние на их прочностные и пластические свойства (рис. 3.11). Кри­ вая растворимости азота в a-железе, находящегося в равнове­ сии с Fe4 N (см. рис. 3.5), показывает, что азот может явиться одной из причин старения металла шва, сопровождающегося повышением его твердости и снижением пластичности и удар­ ной вязкости.

Водород. Может самостоятельно или в сочетании с другими факторами приводить к различным дефектам. В ЗТВ или в на­ плавленном металле при сварке высокопрочных сталей с по­ вышенным содержанием водорода возможны замедленные хрупкие разрушения. Водород с течением времени после сварки может диффундировать в ЗТВ и таким образом дости­ гать критической концентрации. Это приводит, например, к об­ разованию холодных подваликовых трещин [7].

В наплавленном металле, содержащем водород, при быст­ ром охлаждении могут образоваться микротрещины, снижаю­ щие усталостную прочность. Если при охлаждении трещины не образуются, снижение выносливости из-за растворенного в стали водорода не наступает до тех пор, пока циклическое нагружение не вызывает пластическую деформацию и тем са­ мым необратимые повреждения материала.

Глава 4. ТЕРМОДЕФОРМАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ СВАРКЕ (Куркин А. С.)

4.1.Деформации, перемещения и напряжения при сварке

4.1.1.Виды деформаций

В точках детали при сварке возникают температурные дефор­ мации еа, а также деформации ес, вызванные силовым взаимо­ действием неравномерно расширяющихся частей детали. При отсутствии внешних нагрузок, приложенных к детали, дефор­ мации ес могут быть названы с о б с т в е н н ы м и , иногда их на­ зывают также в н у т р е н н и м и :

Начальными называются собственные деформации, имев­ шиеся в детали до сварки. При протекании в металле струк­ турных и фадовь!* превращений вызванные ими деформации

входят в еа.

4.1.2.Возникновение деформаций и перемещений

4.1.2.1.Продольное деформации и перемещения. В процессе

сварки шов и оКолошовная зона разогреваются до высоких температур Т (рис. 4.1), что вызывает их расширение е0 и

удлинение детали в направлении оси шва. При этом со стороны менее нагретой части детали на высокотемпературную зону действует реакция, вызывая в ней собственные деформации укорочения ес<0. Высокотемпературная зона составляет не­ большую часть от поперечного сечения детали, и возникающие в ней собственные деформации укорочения существенно больше, чем деформации удлинения вне зоны шва. Значитель­ ная часть собственной деформации укорочения в зоне шва

переходит в пластическую деформацию е Пл- После полного осты­ вания пластическая деформация зоны шва, возникшая при на­ греве, вызывает сокращение длины детали по сравнению с ис­ ходным размером до сварки ДПр, называемое продольной усад­ кой. При этом со стороны шва на деталь действует усадочная сила Рус. На рис. 4.1 показан вид эпюр остаточных упругих и пластических деформаций в шве. Формулы для расчета Рус

Значение коэффициента А зависит от наличия зазора, усло­ вий закрепления, условий сварки, формы и размеров детали. Формулы для расчета утах и А приведены в 4.3.1.4.

4.1.2.3. Другие виды перемещений в зоне шва. При сварке происходят одновременно продольные и поперечные перемеще­ ния в зоне шва. Их взаимодействие вызывает различные виды сварочных перемещений. Угловое перемещение р (рис. 4.3) происходит вследствие неравномерного по толщине детали по­ перечного перемещения при асимметричном расположении шва или неодинаковых условиях усадки отдельных частей шва. Смещение в направлении толщины детали Az может быть свя­ зано с неодинаковым продольным расширением свариваемых цилиндрических деталей при наложении кольцевого шва или с потерей устойчивости листов от расширения в направлении оси шва. Смещение деталей вдоль оси шва Ах связано с их не­ одинаковым удлинением при нагреве. Например, при сварке тавровых соединений, даже при одинаковой толщине сваривае­

мых пластин удлинение стенки примерно в 1,5 раза больше, так как полоса нагрева в полке расположена в середине пла­

стины, а в стенке— на краю.

4.1.3. Образование напряжений

Собственные напряжения в сварном шве могут быть времен­ ными и остаточнЫмиОстаточные напряжения в направлении

тер имеет распределение продольных напряжений в много­ слойных швах.

Поперечные растягивающие напряжения при однопроход­ ной сварке достигают значительной величины при сварке швов в жестком контуре (при заварке дефектов). При многопроход­ ной сварке, если происходит взаимный поворот свариваемых деталей, возникают растягивающие напряжения в корне шва. В случае предотвращения углового перемещения в корне шва возникают напряжения сжатия (рис. 4.5).

Трехосные растягивающие напряжения возникают в сред­ ней части сечения электрошлаковых швов. Величина компонент

напряжения может превосходить <хт. Наибольшее растягиваю­ щее напряжение действует вдоль оси шва (рис. 4.6).

В соединениях с угловыми швами распределение остаточ­ ных напряжений, как правило, аналогично распределению на­ пряжений в стыковом соединении, выполненном тем же спосо­ бом сварки.

В оболочковых конструкциях продольные прямолинейные швы дают такое же распределение напряжений, как в плоской пластине. В зоне кольцевых швов дополнительно действуют

и от изгиба. В результате уменьшаются напряжения вдоль оси шва, а в поперечном направлении напряжения с внутренней стороны оболочки являются растягивающими, а с внешней — сжимающими.

При многопроходной сварке с разделкой наружу оболочки в кор'Пе шва образуются поперечные напряжения растяжения, при разделке внутрь оболочки — напряжения сжатия. Круго­ вые швы в плоских пластинах имеют напряжения вдоль оси шва примерно такие же, как в прямолинейных швах. Попереч­ ные (радиальные) напряжения в них тем выше, чем меньше радиус шва.

В точечных и электрозаклепочных соединениях в централь­ ной части компоненты напряжений в плоскости соединения яв­ ляются растягивающими. В низкоуглеродистых и аустенитных сталях они равны <гт, в титановых и алюминиевых сплавах не­ сколько меньше от. В основном металле вблизи сварного со­ единения радиальные напряжения растягивающие, а окруж­ ные— сжимающие. В стержнях, сваренных стыковой контакт-

ной сваркой, в средней части имеется область трехосного

растяжения, возрвстающего с увеличением диаметра стержней, на поверхности -_напряжения сжатия.

Остаточные Марряжения достаточно стабильны во времени. Даже при нагфял<£ниях>близких к ат, релаксация напряжений протекает медлен*10 и составляет лишь несколько процентов. Величина пластик01*0” остаточной деформации в бездефект­ ных стыковых сосДинениях

сталей составляе1, *—2%. При наличии коНцентРат0' ров пластические деформа­

ции могут составЛ11ть десят‘ ки процентов и вызывать

разрушение.

4.1.4. Влияние фазОвых превращений на деформации и напряжения

превращениях (мартенситное превращение стали) возможно

Существенно изменяется распределение напряжений при при­ менении сварочных материалов, отличающихся от основного металла (рис. 4.7).