8. Методы снижения и устранения остаточных напряжений и деформаций в сварных конструкциях

Если меры предотвращения образования сварочных напряжений и деформаций оказываются недостаточными, появляется необходимость в устранении (снятии) возникших напряжений и деформаций, Снятие сварочных напряжений путем термообработки. Для полного снятия напряжений сварные соединения подвергают термообработке. С этой целью при сварке углеродистых конструкционных сталей проводят общий высокий отпуск конструкции (нагрев до 630—650° С с выдержкой при этой температуре в течение 2— 3 мин на 1 мм толщины металла). Охлаждение должно быть медленным для того, чтобы при его прохождении снова не возникли напряжения. Режим охлаждения в основном зависит от химического состава стали. Чем больше содержание элементов, способствующих закалке, тем меньше должна быть скорость охлаждения. Во многих случаях деталь охлаждают до температуры 300° С с печью, а затем на спокойном воздухе.

При высоком отпуске сварочные напряжения снимаются вследствие того, что при температуре 600° С предел текучести металла близок к нулю и материал практически не оказывает сопротивления пластической деформации, в процессе которой происходит релаксация сварочных напряжений. При температуре отпуска 600—620° С наблюдается некоторое охрупчивание металла, порог хладноломкости перемещается в сторону положительных температур. Особенно это проявляется на сталях, содержащих ванадий. Снижение температуры отпуска до 550—560° С устраняет указанный недостаток. В ряде случаев можно ограничиться высоким отпуском отдельных элементов конструкции. Так, при изготовлении сферических резервуаров для хранения различных продуктов ограничиваются только отпуском лепестков с приваренными люками. Отпуск отдельных узлов применяют также при изготовлении сварных рам тележек вагонов и локомотивов. Такие операции значительно проще, чем отпуск всей конструкции, и, как показал опыт, обеспечивают требуемую эксплуатационную надежность.Высокий отпуск является дорогой операцией, удлиняющей технологический процесс изготовления конструкции, и его следует применять в действительно необходимых случаях. Если механическая обработка проводится на детали, не прошедшей отпуска, то в связи с перераспределением напряжений может произойти изменение ее размеров. В большинстве случаев при сварке изделий из стали с повышенным содержанием углерода и легирующих элементов можно ограничиться только предварительным местным или общим подогревом и не проводить последующей термообработки. Причины образования горячих и холодных трещин; методы борьбы с ними

9. Причины образования горячих и холодных трещин; методы борьбы с ними Горячие трещины - это хрупкие межкристаллические разрушения металла шва и околошовной зоны, возникающие в твердожидком состоянии в процессе кристаллизации, а также при высоких температурах в твердом состоянии. Они извилисты, в изломе имеют темный цвет, сильно окислены, распространяются по границам зерен. По современным представлениям горячие трещины вызываются действием двух факторов: наличием жидких прослоек между зернами в процессе кристаллизации и деформациями укорачивания.

В интервале температур плавления и полного затвердевания происходит миграция примесей и загрязнений в межзеренные пространства. Наличие между зернами жидкой фазы, примесей и загрязнений снижает деформационную способность шва и околошовной зоны. Неравномерность линейной и объемной усадок шва и основного металла при охлаждении приводит к возникновению внутренних напряжений, являющихся причиной появления микро- и макроскопических трещин как вдоль, так и поперек шва.

Причинами образования горячих трещин при сварке являются:

• большое количество вредных примесей (особенно серы и фосфора) в металле свариваемых заготовок;

• наличие в металле шва элементов, образующих химические соединения с низкой температурой затвердевания (хром, молибден, ванадий, вольфрам, титан), нарушающие связь между зернами;

• жесткое закрепление свариваемых заготовок или повышенная жесткость сварного узла, затрудняющая перемещение заготовок при остывании.

Холодные трещины - это локальные меж- или транскристаллические разрушения сварных соединений, образующиеся в металле при остывании до относительно невысоких температур (как правило, ниже 200 °С) или при вылеживании готового изделия. Холодные трещины в шве и переходной зоне расположены под любым углом ко шву - в изломе светлые или со слабыми цветами побежалости и возникают преимущественно при дуговой сварке низколегированной стали большой толщины. Чаще всего трещины возникают в переходной зоне вследствие неправильной техники сварки или неправильно выбранного присадочного материала. Для предупреждения образования холодных трещин применяют:

• прокаливание флюсов и электродов перед сваркой;

• предварительный подогрев свариваемых заготовок до 250-450 °С;

• ведение процесса сварки в режиме с оптимальными параметрами;

• наложение швов в правильной последовательности;

• медленное охлаждение изделия после сварки;

• проведение непосредственно после сварки смягчающего отжига для снятия остаточных напряжений.

Общими причинами появления трещин, как горячих, так и холодных, в швах сварных соединений являются:

• слишком высокая жесткость соединений;

• слишком малый размер сварного шва для данной толщины соединения;

• несоблюдение или неправильный выбор технологии сварки;

• дефекты в сварном шве;

• t неправильная подготовка соединения под сварку;

• неудовлетворительное качество или неправильный выбор типа электродов;

• использование повышенных значений сварочного тока, которое может привести к появлению крупнозернистых охрупченных участков структуры;

• высокое содержание углерода или легирующих элементов в основном металле, не учтенное при выборе технологии сварки.

Для предупреждения образования трещин в швах сварных соединений необходимо:

• разрабатывать металлоконструкции и технологию сварки, которые позволяют исключить применение соединений с высокой жесткостью;

• при сварке изделий достаточно большой толщины увеличивать размеры сварных швов;

не допускать при сварке узких валиков, производить сварку полноразмерным швом короткими участками по 200-250 мм;

• выбирать последовательность выполнения сварных швов такой, чтобы максимально долго оставлять незаваренными концевые участки соединения, с тем чтобы они обладали максимально возможной подвижностью;

• обеспечить сплошность и хорошее сплавление сварных швов;

• в некоторых случаях обеспечить предварительный подогрев свариваемых частей;

• сборку соединений производить с одинаковым и требуемым по технологии зазором, при необходимости для выравнивания зазора применять стягивающие сборочные приспособления;

• не допускать при сварке завышенных по сварочному току режимов сварки;

• по возможности сварной шов делать многопроходным, так как однопроходные швы могут быть более хрупкими, а в многопроходных швах происходит отжиг каждого предыдущего слоя;

• разделку заполнять сразу после завершения сварки корня шва, так как воздействию напряжения чаще всего подвергается область корневого шва.

ПРОДОЛЬНЫЕ, ПОПЕРЕЧНЫЕ И ДР.ВИДЫ ТРЕЩИН ПРИ СВАРКЕ МЕТАЛЛОВ

Продольная трещина - это трещина, ориентированная параллельно оси сварного шва. Продольные трещины могут возникать в металле сварного шва, на границе сплавления, в зоне термического влияния и в основном металле. Конфигурация трещин в основном определяется очертаниями линии сплавления основного металла и шва. Продольные трещины возникают как из-за наличия высокотемпературной хрупкости сплавов (горячие трещины), так и при замедленном разрушении металла (холодная трещина).

Продольные трещины в основном металле, смежном со сварным швом, возникающие из-за высокого напряжения, вызванного сжатием в сварном шве, называют скрытыми трещинами. Разрыв вызывается нарушением сцепления и связей вдоль рабочего направления основного металла. Трещины обычно проходят строго параллельно линии сплавления и внешне похожи на ступеньки.

Большие сварочные напряжения, вызывающие скрытые трещины, в большей или меньшей степени присущи всем сварным соединениям, особенно сварным швам больших толщин. Основные причины, вызывающие недопустимые сварочные напряжения, - это слишком жесткое соединение и несоблюдение или неправильный выбор технологии сварки. С уменьшением сварочных напряжений уменьшается вероятность появления скрытых трещин. Для снижения уровня сварочных напряжений необходимо:

• во время сварки допускать небольшие перемещения свариваемых частей;

• по возможности использовать многопроходную сварку;

• производить проковку каждого слоя наплавленного металла;

• отжигать готовое изделие при температуре 590-650 °С, продолжительность отжига составляет по одному часу на каждые 25 мм толщины основного металла;

• применять сварочную технологию, снижающую вероятность образования скрытых трещин;

• применять сварочную технологию, при которой все свариваемые части имеют неограниченную свободу перемещения;

• при сварке сталей, склонных к образованию горячих и холодных трещин, производить наплавку высокопластичного промежуточного слоя, если это позволяет получаемая прочность соединения.

При сварке тавровых соединений при толщине металла более 20 мм следует учитывать, что двухсторонний сварной шов вызывает меньшие напряжения, чем односторонний. Двухсторонний сварной шов без разделки кромок имеет меньшие напряжения в околошовной зоне, чем двухсторонний с разделкой кромок и полным проплавлением корня. Односторонний сварной шов с большой величиной катета следует заменять на двухсторонний с меньшим катетом. Изменение формы разделки углового соединения является наиболее эффективной мерой предупреждения образования скрытых трещин. Наплавка мягкой, высокопластичной прослойки на 15-25 мм шире сварного шва и толщиной 5-10 мм или наложение на одну из поверхностей разделки высокопластичных валиков за счет пластической деформации мягкой прослойки позволяет в значительной мере уменьшить напряжения в околошовной зоне.

10. Технология сварки углеродистых, низко- и высоколегированных сталей

Для сварки трубопроводов и металлоконструкций из низко углеродистых и низколегированных конструкционных сталей наибольшее применение получили электроды УОНИ  13/55, ТМУ-21У и УОНИ 13/45А. Последние имеют повышенные пластические свойства и поэтому применяются главным образом для сварки корневых слоев, а также при  сварке жестких узлов и конструкций.

Применение указанных марок электродов требует особых навыков у сварщиков и обеспечение при сварке возможно короткой дуги и по возможности без ее обрывов.  Такие требования вызваны высокой чувствительностью “электродов к пористости при удлинении дуги и при частых обрывах.Для сварки поверхностей нагрева котлов из углеродистых сталей диаметром менее 100 мм наибольшее применение нашли сварочные инверторы, которые изготавливают только  диаметром 2,5 мм. Особенностью этих электродов является несколько повышенная толщина покрытия, благодаря чему при сварке создается надежная газовая защита,  что снижает вероятность образования пор. Для сварки ряда трубопроводов и металлоконструкций ТЭС и АЭС (трубопроводы пара и горячей воды 3-й и 4-й категорий ТЭС, металлоконструкции из  малоуглеродистой стали ТЭС, металлоконструкции СЛА АЭС, а также трубопроводы,, не подведомственные органам надзора) разрешается применение электродов с рутиловым и ильменитовым покрытием АНО-4, MP-3, АНО-6М, ОЗС-6, ОЗС-4 и др. Сварка этими  электродами возможна как постоянным, так и переменным током. Для сварки вертикальных швов тонколистовых конструкций ТЭС способом “сверху—вниз” можно рекомендовать электроды АНО-13. Линейная скорость сварки  однопроходных швов этими электродами в 1,5—2 раза выше, чем скорость сварки обычным способом “снизу-вверх”. При этом обеспечиватся хорошее формирование  поверхности сварного шва.

Одну и ту же марку высоколегированных аустенитных сталей можно использовать для изготовления изделий различного назначения, например, коррозионно-стойких, хладостойких или жаропрочных. А вот требования к свойствам сварных соединений будут различными, что определит и различную технологию сварки (сварочные материалы, режимы сварки, необходимость последующей термообработки), направленную на получение сварного соединения с необходимыми свойствами, которые определяются составом металла шва и его структурой. Пониженный коэффициент теплопроводности при равных прочих условиях изменяет распределение температур в шве и околошовной зоне. Поэтому одинаковые изотермы в высоколегированных сталях сильнее развиты, чем в углеродистых. Так увеличивается глубина проплавления основного металла, возрастает коробление изделий. С целью уменьшения коробления изделий из высоколегированных сталей требуется применять способы и режимы сварки, которым свойственна максимальная концентрация тепловой энергии. Более высокое ( в 5 раз выше, чем у углеродистых сталей) удельное электросопротивление обусловливает больший разогрев сварочной проволоки в вылете электрода или металлического стержня электрода для ручной дуговой сварки. В процессе автоматической и полуавтоматической дуговой сварки следует уменьшать вылет электрода и повышать скорость его подачи. При ручной дуговой сварке уменьшают длину электродов для высоколегированных сталей и допустимую плотность сварочного тока. Электроды с фтористокальциевым покрытием уменьшают угар легирующих элементов, значит, позволяют получить металл шва с необходимым химическим составом и структурами. Уменьшению угара легирующих элементов способствует и поддержание короткой дуги без поперечных колебаний электрода.