книги / Сварка в машиностроении. Т. 3

этих проб показало [20], что проба ЛТП является более чувствительной и менее трудоемкой.

Проба ИМЕТ (см. рис. 11, в) предназначена для испытаний тонколистового металла (1—3 мм). Горячая трещина образуется от надреза. В качестве критерия сопротивления образованию горячих трещин принята максимальная длина а шва до надреза, при которой в шве нет трещины.

Общие недостатки этих проб — незначительные напряжения ниже TMXj

и непригодность для многослойной сварки. Пробы следует использовать при отсутствии машин, описанных ниже, или при невозможности их использования.

Оценка по наличию, частоте образования и длине трещин предусматривает сварку образцов жестких проб (рис. 12), выявление наличия трещин, определе­ ние их частоты в шве или 01II3, а также протяженности с целью оценки сварочных

А - А

Рис. И . Образцы проб для определения сопротивляемости сплавов образовав нию горячих трещин при сварке по критическому размеру пробы:

материалов или режимов сварки. Эти критерии рекомендуются для сплавов

снедостаточной технологической прочностью.

Спомощью этих проб можно отбраковать как сплавы, так и технологически^

режимы сварки. Недостаток всех проб этой группы — большая металлоемкости и трудоемкость, а также малая чувствительность к образованию горячих трещин* Большей чувствительностью обладают пробы, при сварке образцов который изменяется темп деформации по длине шва. К ним относятся пробы: крестовая» NRL и др. (рис. 13), Дальнейшее совершенствование проб с переменным темпов деформации по длине шва связано с применением внешнего силового деформиро'

вания (см. машинные методы).

Оценка по критическому режиму сварки предусматривает сварку одног^ из образцов жестких проб (см. рис. 12) с последовательным возрастанием скорости сварки, что неизбежно приводит к образованию горячих трещин для большинства сплавов. Значение скорости, при которой для данного сплава возникают трещииь*»

принимается за критерий Этот критерий достоверен, если соблюдается еГ°

пропорциональность истинному критерию а п — а св, что имеет место лишь ддя сплавов, близких по составу. Кроме того, при этом методе оценки количествен^0 нельзя измерить технологическую прочность на скоростях сварки меньше кр0“ тических. Он пригоден лишь для определения диапазона режимов без трещи*** Оценка технологической прочности машинными методами. Для оценЯи

используют два критерия: критическую скорость и темп растяжения шва. Оценка по критической скорости растяжения предложена в МВТУ им. БаУ*

мана H. Н, Прохоровым. Этот метод предусматривает сварку на неизменном р^"

жиме серии образцов в условиях растяжения с помощью машины кристалли­ зующегося шва. Скорость растяжения оценивают по относительному движению захватов; ее изменяют дискретно от образца к образцу с целью выявления кри-

Рис. 12. Лабораторные пробы для оценки склонности швов к образованию горя­ чих трещин при сварке; пробы:

Рис, 13. Образцы проб, применяемых для оценки склонности сплавов к образо­ ванию горячих трещин по относительной длине трещин, при сварке которых обеспечивается переменный темп деформации по длине шва:

тического значения, при котором исчерпывается пластичность шва и периоди­ чески появляются горячие трещины:

где Дкр — перемещение в ТИХ, приводящее к образованию трещины; tü — tü — время нахождения металла шва в ТИХ,

Показатель икр пригоден для сравнительной количественной оценки сплавов различного состава при неизменном термическом цикле сварки. В настоящее время этот метод широко используют в СССР и странах СЭВ. Однако значения условного показателя икр, полученные при сварке с разными термическими цик­ лами (на разных режимах), не подлежат сравнению, так как при этом изменяется коэффициент пропорциональности между значениями а п — а св и окр. В этих условиях необходимо оценивать технологическую прочность абсолютным кри­ терием — критическим темпом деформации, который предложен в работе [31]. В условиях нарастания перемещений Д по линейному закону в ТИХ он равен отношению критической величины перемещения кромок свариваемых элементов в ТИХ к величине этого интервала ДГТИХ:

и пригоден для сравнения независимо от условий испытания при его определении. Его все шире применяют для оценки технологической прочности в различных условиях сварки. Метод оценки, где используется этот критерий, получил индекс ЛТП1. Он предусматривает проведение испытаний с помощью специальных испы­ тательных машин, которые должны иметь силовой привод значительной жест­ кости, обеспечивающий постоянство скорости растяжения и ее изменение в пре­ делах 0,5—25 мм/мин с шагом ^ 5% . Силовой механизм должен совмещаться с механизмами для сварки. Для этих целей используют машины ЛТП1-4 и ЛТП1-6, созданные в МВТУ [22], ИМЕТ — ЦНИИЧМ [4] и др. Перспективно применение унифицированных машин. К ним относится машина ЛТП1-10, механизм растя­ жения которой (усилием 15 тс) может иметь как ступенчатую регулировку ско­ рости растяжения, так и бесступенчатую (в случае комплектации ее тиристорным электроприводом типа ПТЗР с обратной связью). Машина имеет электромагнит­ ную муфту для точного дозирования деформации в ТИХ, силоизмерительное устройство и восемь сменных приспособлений, позволяющих производить испы­ тания швов, полученных дуговой и электрошлаковой сваркой по всем известным методикам и схемам нагружения.

Приспособления 1—3 (рис. 14) предназначены для растяжения шва при сварке стыковых (У), тавровых (3) или трубчатых образцов с дискретно или непрерывно уменьшающейся скоростью растяжения. Приспособления 4—6 служат для де­ формирования изгибом стыкового и таврового шва (как первого, так и после­ дующих проходов), что позволяет воспроизводить при испытаниях трещины при многослойной сварке, описанные в работе [37]. Приспособление № 6 предназна­ чено для испытания металла шва при вертикальной дуговой или электрошлаковой сварке.

Приспособление 7 позволяет определять пластичность и ТИХ металла шва путем дозирования деформации, а приспособление Ç— то же, для металла ОШЗ при имитации термического цикла электроконтактным нагревом.

Для проведения подобных испытаний при лучевых методах сварки разра­ ботана малогабаритная машина ЛТП1-11 (рис. 15), обеспечивающая изгиб при сварке образцов У повышенных толщин ( > 5 мм) и растяжение сварных образ­ цов Г меньших толщин по двум схемам: вдоль и поперек оси шва.

Особенности методики оценки по а кр состоят в правильном назначении мо­ мента начала растяжения образца и его длительности, а также в учете формо­ изменения образца при изменении режимов сварки. Начало растяжения образца» как правило, должно совпадать с моментом перемещения оси электрода с техно' логической планки на испытуемый образец, а окончание — с моментом охлаж' дения металла в испытуемой зоне шва (в начале его) до нижней границы ТИХ* Более раннее включение машины или выключение с опозданием не влияет на а кр» Для определения а кр испытывают 15—20 образцов при одном режиме сварки» увеличивая скорость растяжения. Критической считается скорость растяжений

х/Кр, периодически приводящая к образованию трещин, а ее уменьшение на 5% не вызывает появления трещин при испытании нескольких образцов. Скорость охлаждения металла в ТИХ сотих определяют на тех же образцах в зоне испы­ туемой длины шва. Эта методика позволяет оценить как склонность шва к зарож­ дению трещин, так и к их развитию; для этого при испытаниях необходимо фик­ сировать площадь трещин [7].

Оценка сопротивляемости металла ОШЗ образованию горячих трещин также может быть выполнена машинными методами. Для воспроизведения продольных трещин в ОШЗ следует использовать образцы толщиной 2—3 мм, свариваемые встык при полном проплавлении кромок образцов и с образованием усиления шва, причем растяжение следует начинать после выхода дуги в центр образца.

Рис. 15. Схема переносной малогабаритной машины ЛТП1-11 для оценки технологической прочности при лучевых способах сварки:

1 —образец, подвергаемый изгибу; /' —образец, подвергаемый растяже­ нию; 2 —упор; 3 —опора; 4 —нажимной вал; 5 —рычаг с варьируе­ мой длиной плеча; 6 —электропривод с плунжером; 7 —измеритель перемещений; 8 —рама; 9 —стойка

Поперечные трещины в ОШЗ, аналогичные представленным на рис. 1, г, воспроизводятся при сварке целых образцов, повышенной толщины, в которых растяжение происходит вдоль шва в результате изгиба образца.

При ускоренной оценке сплавов применяют имитацию термического цикла на образцах из основного металла и их растяжение с различными скоростями на этапе охлаждения. Достоверность результатов зависит главным образом от правильного выбора максимальной температуры цикла (7\пах). В методике ЛТП-3

МВТУ предусмотрено в этом случае в качестве критерия использовать минималь­ ное значение vKp для металла в ОШЗ, которое находят при варьировании Tmax

(рис. 16, а).

Менее точна оценка, по которой сопротивляемость образованию горячих

в ОШЗ.

Этот показатель следует рекомендовать для сплавов, весьма склонных к тре­ щинам в ОШЗ, когда другие критерии (укр и др.) малы или неразличимы.

Необходимо отличать метод, рассмотренный выше, от других, при которых швы также деформируют машинами, но при этом за критерий оценки приняты

другие, менее обоснованные параметры испытания: критическая деформация, критическое напряжение. К ним относятся испытания по Varestreint и Blanchet, критика которых дана в работах [4 и 22].

Оценку стойкости сварных соединений против горячих трещин на отрасле­ вых пробах производят с целью выбора материалов или технологии сварки, обеспечивающих отсутствие трещин при сварке конструкции. К этой категории относятся пробы типа «вварыш» и ЦНИИТС (проба ЦНИИТС описана настр. 423). Пробу «вварыш» из толстолистового металла (см. рис. 12) широко применяют в судостроении. Основу пробы составляет пластина с отверстием в центре, в ко­ торое вваривают стержень диаметром 150 мм и высотой в три толщины. Сварку ведут до полного заполнения разделки с последующей разрезкой на шлифы по

Рис. 16. Влияние максимальной температуры Tmax имитированного цикла сварки на изменение икр:

двум плоскостям. Появление трещин служит браковочным признаком для иссле­ дуемого технологического варианта. Тонколистовые пробы «вварыш» широко применяют в качестве отраслевых для сталей, сплавов Ni, Al, Mg с целью опреде­ ления возможного диапазона режимов сварки и оценки качества присадочных материалов в отношении их стойкости против горячих трещин, трещин при тер­ мической обработке и т. д.

Запас стойкости против горячих трещин при сварке конструкций определяют с помощью отраслевых проб, сварку образцов которых выполняют партией электродов, отличающихся содержанием примесей, количеством 6-феррита, леги­ рующих элементов и поэтому имеющих различные значения а кр. Такая партия электродов называется эталонным рядом. Сваривая отраслевую пробу или узел конструкции электродами эталонного ряда, по факту появления трещин находят электрод с минимальным показателем а кр, обеспечивающим отсутствие трещин. Величину этого показателя считают допустимой для электродов, предназначен­ ных для сварки конструкций данного типа.

Сравнивая показатель а кр электрода, выбранного для сварки, с допустимым, устанавливают уровень запаса технологической прочности образцов отраслевых проб, а следовательно, и соответствующих конструкций при сварке в заданных условиях.

При сварке магистральных трубопроводов, по данным работы [16], для кор­ невых швов допустимый показатель электродов составляет 2,5 мм/мин, Электроды

с меньшим показателем приводят к образованию трещин в шве, а с большим — к отсутствию трещин и наличию соответствующего запаса технологической проч­ ности.

СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ В ПРОЦЕССЕ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ

Для предотвращения горячих трещин или увеличения запаса технологиче­ ской прочности при сварке необходимо: 1) снизить в ТИХ темп деформации ме­ талла при сварке; 2) применить сварочные материалы, режимы и условия сварки, обеспечивающие сварному соединению кроме эксплуатационных свойств и вы­ сокие показатели технологической прочности.

Снижению деформаций в ТИХ способствует закрепление нежестких загото­ вок в кондукторах, увеличение их геометрической жесткости, введение или уси­ ление связей (прихваточных швов, технологических планок, косынок, ребер жесткости), а также сварка концевых участков прямолинейных швов от центра к краю. Эти меры предотвращают Деформации изгиба различного вида при сварке.

При сварке жестких заготовок снижения деформаций в ТИХ достигают наоборот устранением закреплений, увеличением сечения швов, сборкой с на­ тягом, приводящим к сжатию свариваемых кромок. Подогрев до 300—400 °С в этом случае аналогичен снижению закреплений и снижает темп деформации в ТИХ, но его эффективность становится незаметной при дуговой сварке толсто­ листового металла (30—40 мм и более).

Темп деформации металла в ТИХ может быть снижен также путем более равно­ мерного распределения деформаций по шву при высоких температурах, что до­ стигают переходом к режимам сварки, обеспечивающим очертания хвостовой части ванны эллипсоидного или параболлоидиого типа. Ванны такой формы образуются, как правило, при малых скоростях сварки (см. рис. 10, а).

Малые скорости сварки (15—20 м/ч) обеспечивают также снижение темпа деформаций в ТИХ и для металла в ОШЗ, что имеет особое значение для устра­ нения трещин при электронно-лучевой и дуговой сварке жаропрочных диспер- сионно-твердеющих сплавов [13, 25]. Одновременного снижения деформаций в шве и ОШЗ достигают при использовании источников с повышенной проплав­ ляющей способностью, позволяющей получить при сварке с малой скоростью сварочные ванны минимальной длины.

При сварке жестких заготовок на высокопроизводительных режимах огра­ ничены возможности по регулированию темпа деформации. Более результативно повышение сопротивляемости металла шва и ОШЗ образованию трещин путем управления типом или схемой кристаллизации.

Тип кристаллизации является важной характеристикой процесса; он опре­ деляет размеры и форму элементов первичной структуры, а также морфологию неравновесных легкоплавких фаз. Тип кристаллизации отражает совокупное влияние химического состава сплава и теплофизических условий кристаллиза­ ции при сварке, обусловливающих уровень термоконцентрационного переохлаж­ дения жидкой фазы у межфазной поверхности. По мере его возрастания плоский тип кристаллизации переходит в ячеистый, а затем в дендритный. Сопротивляе­

к плоскому типу кристаллизации возможен лишь при сварке металлов повышен­ ной чистоты при больших значениях температурного градиента, препятствующих разделительной диффузии. Для перехода к дендритному типу кристаллизации необходимо усилить термоконцентрационное переохлаждение у межфазной по­ верхности, достигаемое увеличением скорости сварки и снижением градиента температуры за счет снижения температуры металла в сварочной ванне,