книги / Сварка и свариваемые материалы. Свариваемость материалов
.pdfПри достаточной свариваемости, т. е. когда в заданных тех нологических и конструктивных условиях удовлетворяются тре буемые эксплуатационные свойства сварных соединений, она классифицируется как хорошая. При недостаточной сваривае мости удовлетворительная соответствует случаю, когда доста точную свариваемость можно обеспечить выбором рациональ ного режима сварки; ограниченная, когда для этой цели необ ходимо применять специальные технологические мероприятия или изменить способ сварки; плохая, когда никакими мерами невозможно достичь достаточной свариваемости. Степень сва риваемости материала устанавливается в каждом конкретном случае в зависимости от заданной технологии, конструктивного оформления сварного соединения и требуемых эксплуатацион ных свойств.
6.2. Показатели свариваемости
В практике исследований свариваемости, как-правило, приме няются специальной конструкции сварные образцы или об разцы с имитацией сварочных термических или термодеформа ционных циклов. В результате испытаний таких образцов оп ределяются условия появления дефектов, характеристики структуры, механические и специальные свойства сварных со единений или зон имитации, абсолютные или относительные значения которых принимаются за количественные показатели свариваемости. Наряду с экспериментальными используются расчетные методы определения показателей свариваемости, учитывающие химический состав, тип соединения, способ и ре жимы сварки и другие факторы.
В лабораторной практике при сопоставлении материалов и технологий показатели свариваемости используются непосред ственно в качестве критериев сравнения. При прикладном при менении сведений о свариваемости по отдельным показателям или их сочетаниям судят о поведении сварного соединения при эксплуатации. В принципе количество показателей может быть равно количеству характеристик и свойств, определяющих ра ботоспособность сварных соединений. Практически пользуются набором основных показателей, типовых для каждого вида ма териалов и условий эксплуатации изготовленных из них свар ных конструкций. Выбор основных показателей производится в каждом конкретном случае с учетом того, какие свойства и характеристики связаны с наиболее частыми отказами свар ных соединений при эксплуатации.
Для установления методического единства при рассмотри нии вопросов, касающихся трещинообразования при сварке, це лесообразно придерживаться следующих понятий и терминов.
Склонность к образованию трещин как показатель свари
ваемости материала, который устанавливается по факту обра зования трещин в серном соединении и оценивается качест венно или количественно критической величиной одного из факторов, обусловливающих трещинообразование.
Стойкость против образования трещин как показатель сва риваемости материала, который устанавливается по факту от сутствия трешин и оценивается качественно или количественно подкритической величиной одного из факторов трещинообразования.
Сопротивляемость образованию трещин означает свойство материала в структурном и напряженно-деформированном со стоянии шва Или зоны термического влияния сопротивляться разрушению, соответствующему по характеру разрушению при образовании трещин.
6.3. Горячие трещины (FT)
6.3.1. Природа и причины образования ГТ
Горячие трещины при сварке — хрупкие межкристаллические разрушения металла шва и зоны термического влияния, возни кающие в твердо-жидком состоянии при завершении кристал лизации, а также в твердом состоянии при высоких температу рах на этапе преимущественного развития межзеренной де формации (рис. 6.1).
Потенциальную склонность к ГТ имеют все конструкцион ные сплавы при любых видах сварки плавлением, а также при некоторых видах сварки давлением, сопровождающихся нагре вом металла до подсолидусных температур.
6.3.1.1. Природа ГТ. Природа ГТ адекватна природе высо котемпературной хрупкости неравновесно кристаллизующихся сплавов. Различают три типа высокотемпературной хрупкости (табл. 6.1).
Все три типа хрупкости проявляются в определенных темпе ратурных интервалах хрупкости: ТИХь ТИХц, ТИХш, соотно шение между которыми представлено на рис. 6.2.
Модель структуры сварного шва в этих интервалах темпе ратур приведена на рис. 6.3, а фрактография стенок трещин — на рис. 6.4. Факторы, обусловливающие малую пластичность металла с такой структурой, приведены в табл. 6.1.
Указанные факторы взаимодействуют на фоне постепенного снижения объема жидкой фазы по мере охлаждения и выде ления из нее эвтектик второго и третьего порядка, что посте пенно приводит к снижению пластичности у нижней границы THXi- Этого явления нет в сплавах, содержащих в конце кри сталлизации 5—10 % эвтектики определенного состава, кри сталлизующейся в последнюю очередь при постоянной темпе
ратуре, т. е. практически мгновенно. Такие сплавы сохраняют значительную пластичность в ТИХг.
Обнаружение и идентификация ТИХц.ТИХш в полной мере обеспечиваются при испытаниях механических свойств с ма-
Рис. 6.1. Сводная топография ГТ при |
дуговой (а) и |
лучевой (б) сварке: |
|
/ — продольные в |
шве и в зоне сплавления: |
2 — поперечные |
в шве и зоне сплавления; |
3 — поперечные по |
толщине в свариваемом металле и металле предшествующего слоя |
||
|
при многопроходной сварке |
|
лой скоростью деформации, что способствует развитию диффу зии легирующих и примесных элементов, образующих интер-
металлидные, карбидные |
и карбонитридные фазы. |
|
|
образо |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6.3.1.2. |
|
Причины |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
вания |
горячих трещин. На |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
личие |
температурно-времен |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ного |
интервала |
хрупкости |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
обусловливает |
потенциаль |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ную |
склонность |
сплавов к |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ГТ, |
|
является |
необходимым |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
условием |
и |
первой |
причи |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ной |
их |
образования. |
— |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Вторая |
причина |
ГТ |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
высокотемпературные |
де |
||||||||
Рис. 6.2. Изменение |
|
механических |
свойств |
формации. Они |
развивают |
|||||||||||||||
|
ся |
вследствие затрудненной |
||||||||||||||||||
сплавов |
в процессе кристаллизации шва и |
|||||||||||||||||||
Тл |
и |
|
последующего |
охлаждения: |
солидус; |
усадки |
металла |
шва и фор |
||||||||||||
Гс— температуры |
ликвидус и |
моизменения |
свариваемых |
|||||||||||||||||
о |
и 6, |
|
е — прочность, |
пластичность |
и дефор* |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
t |
t |
H t |
г н |
|
заготовок, |
а |
также |
при |
ре |
|||||
мация |
металла щва; |
Т в% Т н , |
Т в , Т н — верх |
|||||||||||||||||
лаксации |
сварочных |
напря |
||||||||||||||||||
няя и нижняя границы THXi —ТИХцр |
6 ц — |
|||||||||||||||||||
запас пластичности |
в ТИХц; tg а = £ кр — кри |
жений |
в неравновесных |
ус |
||||||||||||||||
тический темп деформации в THXj, опреде |
ловиях сварки и при после- |
|||||||||||||||||||
ляющий |
деформационную способность в этом |
сварочной |
термообработке, |
|||||||||||||||||
|
|
|
интервале температур |
|
|
усиленные |
тепловой, |
струк |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
турной и механической концентрацией деформации. Принято |
||||||||||||||||||||
рассматривать |
|
две |
составляющие |
деформации при |
сварке |
[5]: |
||||||||||||||
ет— температурная |
деформация (рис. |
6.5).. Она |
по величине |
|||||||||||||||||
равна |
деформации |
металла |
при |
его |
|
нагреве |
и охлаждении |
|||||||||||||
в |
свободном |
состоянии |
(измеряется |
|
на |
дилатометрах), |
но |
|
|
|
|
|
ТИПЫ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ХРУПКОСТИ |
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
Факторы, обусловливающие |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Тип и название |
Механизм зарождения |
|
|
границы ТИХ |
|
|
Факторы, определяющие |
Признаки иденти |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
ГТ |
|
|
ГТ |
|
|
|
|
|
|
|
малую пластичность |
фикации ГТ |
|
||||
|
|
|
|
|
|
верхнюю |
НИ Ж Н Ю Ю |
в ТИХ |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Тип |
1. |
|
Относительные переме |
Образование |
Затвердевание |
Крупнозернистость |
шва. |
Пленки |
ликватов |
на |
||||||||
ГТ |
кристалли |
щения |
кристаллитов |
твердого |
кар |
ликватов |
|
|
Высокий |
уровень |
лик |
стенках |
|
|
|
|||
зационные |
и |
при недостаточной цир |
каса |
в |
шве |
|
|
|
вации. Малое количе |
|
|
|
|
|||||
ликвационные |
|
куляции |
жидкой фазы |
|
|
|
|
|
|
ство эвтектики. |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
в результате |
заклини |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
вания |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Тип 2. |
|
Зарождение трещин при |
Затвердевание |
Диффузия ва |
Длительное пребывание |
Межзеренное |
разру |
|||||||||||
ГТ подсолидус- |
межзеренном |
проскаль |
ликватов |
|
кансий и при |
в ТИХ. |
Сегрегация |
шение |
с окислением |
|||||||||
ные |
|
|
зывании |
в местах вы* |
|
|
|
месей на |
гра |
примесей. |
Крупнозер |
стенок |
|
|
|
|||
|
|
|
хода ростовых дислока |
|
|
|
ницы |
зерен |
нистость |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
ций на границы |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Тип 3. |
|
Межзеренное проскаль |
Выпадение |
Диффузия |
ва |
Крупнозернистость |
|
Межзеренное |
разру |
|||||||||
ГТ дисперсион |
зывание |
в |
результате |
фаз в |
объеме |
кансий |
к |
за |
Большая скорость твер |
шение |
при |
наличии |
||||||
ного твердения |
упрочнения объемов зе |
зерен |
|
|
родышам |
тре |
дения |
|
|
частиц |
карбидов, |
ин- |
||||||
|
|
|
рен |
|
|
|
|
|
щин |
|
|
|
|
|
терметаллидов |
на |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
стенках |
|
|
1.
противоположна |
по знакУ (способствует растяжению шва); |
е„ — наблюдаемая |
деформация от формоизменения сваривае |
мых заготовок. Она фиксируется различными методами изме рения непосредствен*10 на свариваемых заготовках вдоль, по перек оси шва, по ег° высоте, т. е. является измеряемой. Эта составляющая деформации может способствовать сжатию (—e„i) или растяжеНию шва ( + енг). а также переходу .от его растяжения к сЖатИ*0 по меРе снижения температуры (е„2 ). Величина и знак деформации при сварке определяются ал
гебраической суммой этих АВУХ составляющих.
Она достигает наибольшей интенсивности, когда составляю щая ен велика и имеет знак + • ® этом случае
е = ет + е„.
Такая ситуация создается в тех участках шва, где макси мум деформаций е„ отстает по времени от максимума темпе ратуры, т. е. при несинхронном развитии. Она развивается при малой геометрической жесткости заготовок (по ширине, тол щине) и усиливается ПРИ сварке сплавов с повышенной жа ропрочностью и ограниченной теплопроводностью.
В условиях синхронного развития функций T(t) и е(0 де формация в THXi минимальна, поскольку е= ет-^-ен.
Другой характерной особенностью развития высокотемпе ратурных деформаций является монотонность нарастания в ТИХ, что позволяет за количественный показатель интенсив ности принять темп деформации В:
В = де/дТ « Де/ТИХ,
где Де — накопленная в ТИХ относительная деформация. Например, деформация Де составила 2,4%. Температурный
интервал хрупкости 120°. Темп деформации равен
в = -А 4-°/о = 2- 1<г* °/*/°С. 1,2-Ю*
Условие неразрушаемости металла в ТИХ состоит в том, что темп деформации в любой точке шва не должен превы шать критический, т. е. не приводить к исчерпанию пластично сти металла в ТИХ.
Геометрическая интерпретация критического темпа дефор мации— тангенс угла акр между осью температур и касатель ной к линии изменения пластичности в THXi—ТИХц, прове денной из точки Вт (рис. 6.5, в)
tg«KP = ДКр Г/«/°С].
Этот угол определяется также приближенно соотношением П/ТИХ, где П — средняя пластичность в ТИХ. Следовательно, Вкр является обобщенным показателем деформационной спо собности сплавов в ТИХ.
Если В >В КР, то пластичность исчерпывается. Это является необходимым и достаточным условием для возникновения го рячих трещин. Геометрическая интерпретация — пересечение линий е и П в ТИХ (рис. 6.2).
Если 5<5кр, пересечения не происходит (трещины не обра зуются), т. е. имеется запас по стойкости против образования ГТ, а выражение Вкр/В—1=Кгт является коэффициентом за паса.
В изотермических условиях послесварочной термообработки исчерпание пластичности швов имеет место в результате ее понижения во времени и развития деформации металла при релаксации сварочных напряжений [6].
6.3.2. Способы и критерии оценки
Качество конструкционных материалов, предназначенных для изготовления сварных конструкций, сварочных материалов и технологии в отношении образования ГТ при сварке, может быть определено несколькими методами и оценено соответст вующими количественными показателями, сведенными
втабл. 6.2.
6.3.2.1.Расчетно-статистический метод оценки стойкости сплавов против образования ГТ. Он является косвенным, так как основан на использовании параметрических уравнений, со ставленных с помощью регрессионного анализа, и применим только для тех сплавов, которые входят в концентрационные пределы изученных композиций.
Второй недостаток этого метода — невозможность учета аномалий по примесям, не входящим в параметрические урав нения, а также аномалий по технологическим параметрам сварки, выходящим за исследованные пределы. Эти же недо статки свойственны и оценке по структурным диаграммам Шеффлера, Ди-Лонга и др. Поэтому расчетно-статистический метод рекомендуется для приближенных экспресс-оценок, а экспериментальный как проверочный. Рекомендуемые пара метрические уравнения сведения в табл. 6.3.
Пример:
Оценка склонности к ГТ металла шва, полученного проплавлением стали
ЗОХГСА W-ым электродом в Аг по |
расчетно-статистическим показателям: |
||
HCS = 0,3 (0,025 + 0,035 + 1/25 + 0) 103 |
= |
300/25 = ? 5 |
|
3 1 + 1 + 0 + 0 |
|
~ |
4 |
Сталь ЗОХГСА имеет а„>700 МПа. Она склонна к ГТ
ГКр = 19 — 42 0,3 — 411 0,025 — 3,3-1 + 5,6 + 6,7 0 = — 3,6.
Сталь ЗОХГСА склонна к образованию ГТ.
МЕТОДЫ ОЦЕНКИ СТОЙКОСТИ ПРОТИВ ОБРАЗОВАНИЯ ГТ В ПРОЦЕССЕ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ПРИ СВАРКЕ
Название метода |
Показатели |
Применение |
Расчетно-статистический, |
Фактор склонности к ГТ |
|||||||
по параметрическим |
|
(HCS, |
CSF, CSF2, L) |
к |
||||
уравнениям и структур |
Единицы |
склонности |
||||||
ным диаграммам |
|
ГТ (UCS*) |
|
|
|
|||
|
|
|
Критический |
темп |
де |
|||
|
|
|
формации |
t g a Kp[2] |
|
|||
|
|
|
Хромоникелевыи |
экви |
||||
Экспериментальный, |
с |
валент |
(Cr3/N i3) |
|
|
|||
Критическая |
скорость |
|||||||
помощью машинных |
ме |
(VKP) |
и |
темп деформа |
||||
тодов испытания |
|
ции (Вкр) |
|
|
|
|
||
|
|
|
Критическая деформация |
|||||
Экспериментальный, |
с |
Наличие |
ГТ |
при сварке |
||||
технологическими мето |
проб |
|
|
|
|
|
||
дами испытаний |
|
Частота образования ГТ |
||||||
|
|
|
Относительная длина ГТ |
|||||
|
|
|
Критическая |
скорость |
||||
|
|
|
сварки |
|
|
|
|
|
|
|
|
Критический |
размер |
об |
|||
Расчетно-эксперимен |
|
разца пробы |
|
|
|
|||
|
Запас |
стойкости |
против |
|||||
тальный с помощью тех |
образования |
ГТ |
|
|
||||
нологических |
проб |
и |
|
|
|
|
|
|
эталонных |
сварочных |
|
|
|
|
|
|
|
материалов |
|
|
|
|
|
|
|
|
Для приближенной оцен ки сплавов
Для сравнительной оцен ки и выбора технологиче ских вариантов сварки
Для сравнительной оцен ки склонности сплавов к ГТ
Для оценки стойкости сварной конструкции про тив ГТ при сварке в за данном диапазоне режи мов сварки
6.3.2.2. Экспериментальная оценка сопротивляемости ГТ с помощью машинных методов испытания. При машинных ме тодах испытания металл шва и зоны сплавления подвергают высокотемпературному деформированию с приложением внеш них сил, создаваемых испытательной машиной для иницииро вания ГТ и определения сравнительно-количественных показа телей (табл. 6.1).
Машинные методы предусматривают испытание сваривае мых образцов на растяжение, изгиб, а также испытание образ цов с имитацией сварочного цикла на растяжение (рис. 6.6). Испытания проводят по ГОСТ 26389—84 с помощью машин.
Особенность испытательной машины МИС-1, разработанной МВТУ, состоит в том, что относительная скорость перемещения захватов пропорциональна скорости охлаждения в каждый мо мент времени, что обеспечено адаптивным управлением.
Процедура машинных испытаний предусматривает пооче редно сварку серии образцов и одновременное деформиро-
ТАБЛИЦА S.3
РАСЧЕТНО-СТАТИСТИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ СКЛОННОСТИ к ГТ
№ |
|
Параметрическое уравнение |
||||||
пп. |
|
|||||||
1 |
НСо_ с (S + |
Р + |
Si/25+O .O lN i)-10*. |
|||||
|
|
|
ЗМп + |
Сг + Mo + |
V |
|||
2 |
UCS* = 230 (С) + |
190 (S) + |
75 (Р) + |
|||||
|
+ 45 (Nb) — 12,3 (Si) — 5,4 (Mn)— 1 |
|||||||
3 |
VKp = 1 9 |
— 42 (С) — 411 (S) — 3,3 |
||||||
|
(Si) + |
5,6 (Mn) + |
6,7 (Mo) [мм/мин] |
|||||
|
|
Cr + |
1,37 (Mo) + |
1,5 (Si) + |
||||
4 |
Cr9 |
|
|
+ 2 |
(Nb) + |
3 (Ti) |
||
N i3 |
Ni + |
0,31 (Mn) + |
22 (C) + |
|||||
|
||||||||
|
|
+ |
14,2 (N) + Cu |
|
|
Вид оценки |
Область приме |
нения |
«<4 — не |
склон |
Для |
сталей |
с |
||
ная |
|
|
ав < |
700 МПа |
||
< 2 |
— не |
склон |
Для |
сталей |
с |
|
ная |
|
|
ов >■ 700 МПа |
|||
-<10 — стойкая |
Nb — микро- |
|
||||
> |
30 — склонная |
легированные |
|
|||
|
|
|
|
стали |
|
|
> |
6,0 |
стойкая |
Легированные |
|
||
< 1 ,8 — склонная |
стали |
|
|
|||
> 1 ,5 |
при |
Cr-Ni-аустенит- |
||||
Р + |
S = |
0,02— |
ные стали |
|
— 0,035 — стой кая
< 1 ,5 при
Р+ 5 ^ 0,02— склонная
5 L = 299 (C) + 8 (Ni) + 142 (Nb) — |
L > О — склон |
Аустенитно |
—5,5 (% 6-Fe)2 — 105 |
ная |
ферритные ста |
|
|
ли |
вание шва с дискретной варьируемой скоростью перемещения активного захвата. Скорость его перемещения и соответственно относительного перемещения свариваемых кромок повышают до появления ГТ в нескольких образцах.
Сварку стыковых образцов без разделки кромок выполняют в режимах, исходя из условия получения полного провара и обратного валика заданной ширины, а стыковых образцов с разделкой кромок — из условия получения заданной ширины и высоты шва при фиксированной скорости сварки, зависящей
от способа |
сварки: РДС 7,5 м/ч, АрДС 12 м/ч, в СО^ 24 м/ч. |
||
При оценке сопротивляемости образованию |
горячих |
трещин |
|
с целью |
выбора режима сварки меняют |
скорость |
сварки, |
а мощность источника выбирают из условия получения необ ходимых габаритов шва.
Механизм деформирования включают для образцов с над резом— в момент прохождения дуги над вершиной косого над реза, для образцов других типов — после прохождения источ ника через стык образцов с технологической планкой на рас стояние 18—20 JH M . Тонколистовые образцы подвергают дина мическому изгибу на оправке в момент выхода оси источника на середину образца. Относительная скорость движения оправки 1 • 10-2 м/с.
Длительность деформации должна в 1,2—1,5 раза превы шать время пребывания металла шва в ТИХ, за исключением динамического деформирования.
Идентификация трещин в образцах после испытания про изводится по НиДУ излома, а при невозможности излома — дру гими неразрущающими методами испытаний.
Рис. 6.6. Устройство испытательной машины МИС-1 и схемы испытания свариваемых образцов:
в — Изгибом; 6 — растяжением; в — образца для ЭШС и имитации термодеформацион ного сварочного цикла
В результате испытания 10—15 образцов с дискретным из менением скорости растяжения или трех образцов с градиент ным распределением скорости по длине образца находят кри тическую скорость растяжения (среднее арифметическое из трех минимальных скоростей, при которых образовались тре щины), которую принимают за сравнительный показатель со противляемости металла образованию ГТ { V KV, мм/с) при за данном термическом цикле сварки. Чтобы сравнить сопротив ляемость ГТ при различных термических циклах сварки, приме няют другой показатель — критический темп растяжения (Вкр, мм/°С). Он вычисляется по формуле
B F KP = V КрIwL,
где ну — скорость охлаждения металла |
в интервале ТС-^(ТС— |
|
—100 °С); |
Тс— температура солидуса; |
L — база измерения де |
формации. |
|
|