СВАРКА И СВАРИВАЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ

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 соответст­вующими количественными показателями, сведенными в табл. 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, со­ставленных 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 урав­нения, а также аномалий по технологическим параметрам сварки, выходящим за исследованные пределы. Эти же недо­статки 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 пара­метрические уравнения сведения в табл. 6.3.

Пример:

Оценка склонности к ГТ металла шва, полученного проплавлением стали ЗОХГСА W-ым электродом в Ат по расчетно-статистическим показателям:

HCS _ 0,3 (0,025 4- 0,035 + 1/25 + 0) 103 _ 300/25 = ? &

_ 3-1 + 1+0 4- 0 ~ 4 _ '

Сталь ЗОХГСА имеет ств>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

Расчетно-статистический, по параметрическим уравнениям и структур­ным диаграммам

Экспериментальный, с помощью машинных ме­тодов испытания

Экспериментальный, с технологическими мето­дами испытаний

Расчетно-эксперимен­тальный с помощью тех­нологических проб и эталонных сварочных материалов

Фактор склонности к ГТ (HCS, CSF, CSF2, L) Единицы склонности к ГТ (UCS*)

Критический темп де­формации tgaKp[2] Хромоникелевыи экви­валент (Сгэ/№э) Критическая скорость (VKp) и темп деформа­ции (Вкр)

Критическая деформация Наличие ГТ при сварке проб

Частота образования ГТ Относительная длина ГТ Критическая скорость сварки

Критический размер об­разца пробы Запас стойкости против образования ГТ

Для приближенной оцен­ки сплавов

Для сравнительной оцен­ки и выбора технологиче­ских вариантов сварки

Для сравнительной оцен­ки склонности сплавов к ГТ

Для оценки стойкости сварной конструкции про­тив ГТ при сварке в за­данном диапазоне режи­мов сварки

6.3.2.2. Экспериментальная оценка сопротивляемости ГТ с помощью машинных методов испытания. При машинных ме­тодах испытания металл шва и зоны сплавления подвергают высокотемпературному деформированию с приложением внеш­них сил, создаваемых испытательной машиной для иницииро­вания ГТ и определения сравнительно-количественных показа­телей (табл. 6.1).

Машинные методы предусматривают испытание сваривае­мых образцов на растяжение, изгиб, а также испытание образ­цов 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 мо­мент времени, что обеспечено адаптивным управлением.

Процедура машинных испытаний предусматривает пооче­редно сварку серии образцов и одновременное деформиро-

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 С02 24 м/ч. При оценке сопротивляемости образованию горячих трещин с целью выбора режима сварки меняют скорость сварки, а мощность источника выбирают из условия получения необ­ходимых габаритов шва.

Механизм деформирования включают для образцов с над­резом— в момент прохождения дуги над вершиной косого над­реза, для образцов других типов — после прохождения источ­ника через стык образцов с технологической планкой на рас­стояние 18—20 .мм. Тонколистовые образцы подвергают дина­мическому 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 превы­шать время пребывания металла шва в ТИХ, за исключением динамического деформирования.

Идентификация трещин в образцах после испытания про­изводится по виду излома, а при невозможности излома — дру­гими неразрушающими методами испытаний.

В результате испытания 10—15 образцов с дискретным из­менением скорости растяжения или трех образцов с градиент­ным распределением скорости по длине образца находят кри­тическую скорость растяжения (среднее арифметическое из трех минимальных скоростей, при которых образовались тре­щины), которую принимают за сравнительный показатель со­противляемости металла образованию ГТ (УКр, мм/с) при за­данном термическом цикле сварки. Чтобы сравнить сопротив­ляемость ГТ при различных термических циклах сварки, приме­няют другой показатель — критический темп растяжения (Вир, мм/°С). Он вычисляется по формуле

ВРк Р = VKp/wL,

где w — скорость охлаждения металла в интервале Тс-т-(Тс— —100 °С); Тс — температура солидуса; L — база измерения де­формации.

Если, например, критическая скорость растяжения VKp со­ставляет 9 мм/мин, ЕсЮмм (ширина шва), а скорость охлаж­дения w = 100 °С/с, то критический темп растяжения равен

Г кр _____ 9^

ю 60 100 10

Для испытания металла шва в условиях многопроходной сварки применяют образцы, которые сваривают швом испытуе­мого состава без растяжения, с последующим переплавом этого шва неплавящимся электродом на Vs часть его высоты и растяжением в процессе переплава до появления ГТ в непере - плавленной части шва путем прямого или обратного изгиба образцов.

Испытания растяжением с имитацией термического цикла проводят в фазе охлаждения до 2/з Ттах на стержневых или пластинчатых образцах, подвергнутых электроконтактному или индукционному нагреву. Рабочая зона таких образцов может иметь строение основного металла или строение сварного шва. Главная особенность таких испытаний — назначение темпера­туры максимального нагрева. Она должна соответствовать ми­нимальной температуре, при которой достигается оплавление границ зерен по их периметру. Это устанавливают по темпера­туре практической потери сопротивления деформированию. По ГОСТ 26 389—84 регламентируется для стали определение Тшах по температуре снижения прочности до 0,15 кг/мм2 путем нагрева под указанным напряжением и фиксировании темпера­туры разрушения. Окончание деформации — при 2/з Ттах. Вто­рая особенность испытания при имитации — учет дилатации образца в ТИХ при определении показателей VKP и Вкр.

Испытания образцов в ТИХШ проводят в изотермических условиях, с оценкой пластических свойств и сопротивления деформированию с малыми скоростями перемещения актив­ного захвата.

Для испытания динамическим изгибом (Varestreint, Trans - varestreint) применяют серию образцов, проплавляемых на!/з толщины при варьировании радиуса оправки. В качестве ко­личественного показателя находят еКр — критическую величину деформации (%), при которой возникают ГТ кристаллизаци­онного и подсолидусного типа, а также измеряют длину ГТ, яв­ляющуюся косвенным критерием протяженности ТИХь

Испытания в ТИХщ проводят по определению показателя критического напряжения, в условиях послесварочной упроч­няющей обработки, когда в металле имеют упругие свойства, а запас потенциальной энергии сварного образца и закрепляю­щих приспособлений ограничен. При этом определяют работу разрушения в ТИХш и сравнивают ее с металлом, не подвер­гающимся сварочному воздействию.

В качестве интегрального критерия режима, учитывающего величину отдельных параметров сварки (сила тока, напряже­ние на дуге, скорость сварки), предложен критерий R = q-v [квт-м/с], каждый сомножитель которого по мере увеличения оказывает негативное влияние на сопротивляемость ГТ при сварке. Его физический смысл — энерговложение на секундную длину шва. С помощью указанного критерия выявлена типо­вая зависимость BKP = f(R), представленная на рис. 6.7. В по - шлогарифмических координатах она имеет линейный харак­тер, подтвержденный при испы­таниях многих марок сталей и сплавов на никелевой и алюми­ниевой основе

Максимум сопротивляемости ГТ имеет место при сварке в оп­тимальных режимах R0, обус­ловливающих минимальный угол срастания столбчатых кристал­литов в центре шва При Rt<R0 показатель снижается, так как в центре шва формируется осе­вой кристаллит, увеличивающий угол срастания между осевым и боковым кристаллитами. При Ri>R0 Внр снижается в резуль­тате удлинения сварочной ванны.

При изменении химического состава сплавов изменяется ве­личина максимума функции ВКр

и интенсивность ее уменьшения по шкале аргумента R, изме­ряемой углом а наклона функции BKp{R) к оси абсцисс, ха­рактеризующим чувствительность сплавов к изменению ре­жима сварки

, ДВ АВ „

*§ а = - ДЩ - = ■, - , — = Kr,

lg RJRo

где Kr — коэффициент чувствительности сплавов к изменению режима сварки.

В связи с тем, что положение максимума на рис. 6.7 харак­теризует сопротивляемость ГТ при однотипной схеме кристал­лизации, изменение показателя Вкр на нисходящей части функ­ции записывается следующей формулой:

Я<

Лкр (R[) — Kr lg -

R о

Составляющая BKP(R0) оценивает сопротивляемость обуслов­ленную химическим составом сплава, на оптимальном режиме

Ri

сварки, а составляющая Kg———убыль ее для режима R,.

°о

Для полной оценки сплавов рекомендуется величину BKp{R0) рассчитывать по статистическим зависимостям, а значение ко­эффициента К определять экспериментально на двух режимах. Тогда по величине BKP(Ri) можно прогнозировать уровень со­противляемости образованию ГТ во всем диапазоне высоко­производительных режимов сварки.

6.3.2.3. Оценка склонности к образованию ГТ с помощью технологических проб. При испытаниях с помощью проб на ме­талл воздействуют деформации от усадки шва и формоизмене-

ния свариваемых образцов. Специальная конструкция и тех­нология сварки образцов обусловливают повышенные темпы высокотемпературной деформации. Некоторые схемы техноло­гических проб приведены на рис. 6.8.

Образец с круговым швом изготавливается из листового металла в виде квадратной пластины с отверстием. При тол­щине листов >25 мм применяют составную пластину из четы­рех пластин, соединенных монтажным швом, с проточкой под круговой шов. Испытуемым является круговой шов или на­плавка в круговую канавку.

Образцы с варьируемой шириной применяют в виде ком­плекта из серий, отличающихся по ширине в пределах от 40 до 200 мм для дуговой сварки и от 10 до 40 мм для лучевой сварки независимо от толщины.

Тавровый образец изготовляется из двух пластин 150X300 и 75X300 толщиной 15—-30 мм, соединяемых под прямым уг­лом с помощью двух косынок и монтажных швов. Испытуемый шов сваривают в положении «в тавр» или в «лодочку».

Образец с канавками изготавливается из пластин толщи­ной >40 мм. При толщине <60 мм он приваривается к жест­
кой плите по флангам швом с катетом 20 мм. Канавки изго­тавливают с шагом 100 мм. При толщине образца >70 мм ка­навки выполняют с двух сторон, они могут иметь форму пазов; при этом испытания относят к сварке по щелевой разделке.

Сварка образцов проб производится на минимальных ско­ростях, указанных в п. 6.3.1.5.

При наличии ГТ металл сварного соединения считают склонным к образованию трещин, а степень склонности опре­деляют относительными коэффициентами длины ГТ, площади ГТ по отношению к шву, а также коэффициентом пе­риодичности — числом тре­щин на единице длины шва.

При отсутствии ГТ в швах, выполненных на ре­комендованных скоростях и режимах сварки (а для

образцов с переменной ши­риной—на образцах макси­мальной ширины Ьт ах пе­реходят к сварке более уз­ких образцов либо к при­менению режимов с увели­ченной скоростью сварки и соответственно мощностью дуги для сохранения посто­янной высоты шва до по­явления ГТ.

Степень стойкости оценивают по коэффициенту критической

ширины Кь= (1------------ ~—)• 100 % и критической скорости сварки.

I’max '

Чем больше эти коэффициенты, тем выше стойкость против ГТ для сравниваемых составов шва.

Скорость сварки меняют в пределах качественного форми­рования шва. При отсутствии ГТ на всех режимах и образцах любой ширины металл сварного соединения считают стойким против ГТ.

6.3.2.4. Расчетно-экспериментальный метод оценки стойко­сти против ГТ. Метод имеет два вида: детерминированный и вероятностный. При детерминированной оценке находят функ­цию £КР(/?) путем применения расчетных или машинных ме­тодов, а также функцию В • (R) применительно к одной из кон­струкций технологических проб, описанных в п. 6.3.1.6, адек­ватной по геометрической жесткости исследуемой конструкции сварного узла. Затем по значениям Ктт определяют область ре­жимов (Ятіп—Rmax, ГДЄ Кгт>0 И НЄ МОГуТ ВОЗНИКатЬ ГТ ПрИ принятом химическом составе шва.

Более точно определяется рабочий диапазон режимов при вероятностной оценке стойкости против ГТ. Она отличается тем, что выявляют как значения функций. BKp(R) и В(/?), так и их дисперсию путем многофакторного эксперимента или рас­четного анализа (рис. 6.9)

Это позволяет определить область вероятного образования ГТ при действии технологических возмущений и рассчитать ве­роятность Рг х[7]

Ргт = Вер [W > 5J. . .