СВАРОЧНЫЕ РАБОТЫ

СВОЙСТВА СВАРНЫХ ШВОВ

На качественные показатели сварных соединений на­кладывают отпечаток множество факторов, к которым относятся свариваемость металлов, их чувствительность к термическим воздействиям, окисляемость и т. д. Поэтому для соответствия сварных соединений тем или иным экс­плуатационным условиям следует эти критерии учиты­вать.

Свариваемость металлов определяет способность от­дельных металлов или их сплавов образовывать при соот­ветствующей технологической обработке соединения, отвечающие заданным параметрам. На этот показатель оказывают влияние физические и химические свойства металлов, строение их кристаллической решетки, нали - чиє примесей, степень легирования и т. д. Свариваемость может быть физическая в технологическая.

Под физической свариваемостью понимают свойство материала или его составов создавать монолитное соеди­нение с устойчивой химической связью. Физической сва­риваемостью обладают практически все чистые металлы, их технические сплавы и ряд сочетаний металлов с неме­таллами. К технологической свариваемости материала от­носят его реакцию на сварочный процесс и способность создать соединение, удовлетворяющее заданные парамет­ры.

При определении критериев свариваемости металлов и их сплавов ориентируются на следующие их свойства:

— Чувствительность металла к тепловому воздействию, которое создается при сварке;

— склонность металла к росту зерна с сохранением пластических и прочностных свойств, структурным и фа­зовым изменениям в зоне термического воздействия;

— химическая активность металла, влияющая на его окисляемость при термическом воздействия сварочного процесса;

— сопротивляемость металла к образованию пор и тре­щин в холодном и горячем состоянии.

Большое влияние на качество сталей оказывает так называемая их раскисляемость, которая характеризуется содержанием марганца, кремния и некоторых других эле­ментов и равномерностью их распределения. По этому параметру различают три вида сталей: кипящая — «кп», полуспокойная — «пс» и спокойная — «сп».

Кипящая сталь отличается большой неравномерностью распределения вредных примесей (особенно серы и фос­фора) по толщине проката и получается при неполном раскислении металла марганцем. Характерной особенно­стью этого вида сталей является склонность к старению и образование кристаллизационных трещин в шве и около - шовной зоне, что приводит к переходу в хрупкое состоя­ние при отрицательных температурах.

Спокойная сталь получается при равномерном распре­делении примесей, поэтому она менее склонна к старе­нию и меньше реагирует на сварочный нагрев.

Полуспокойная сталь занимает промежуточное значе­ние между кипящей и спокойной.'

Все эти свойства учитывают при выборе технологи­ческих приемов сварки, способов формирования свароч­ного шва, параметров теплового воздействия и т. д.

В качестве примера приведем свариваемость сталей, как наиболее распространенных конструктивных матери­алов.

Для сварных конструкций лучше всего использовать низкоуглеродистые и низколегированные стали, облада­ющие высокой степенью свариваемости.

Наибольшее влияние на качество сварного соедине­ния оказывает углерод. Увеличение содержания углерода и ряда других легирующих элементов снижает сваривае­мость сталей, ухудшая качество шва.

Сварные соединения высокоуглеродистых и высоколе­гированных сталей отличаются повышенным содержани­ем трещин и выполняются по специальной технологии.

Классификация сталей по свариваемости приведена в табл.1.

Таблица 1

Стали, относящиеся к удовлетворительным, имеют содержание углерода от 0,25 до 0,35%. Они мало склонны к образованию трещин и при правильно подобранных режимах сварки дают качественный шов.

Для улучшения качества сварки часто применяют по­догрев.

Ограниченно свариваемые стали имеют содержание углерода от 0,36 до 0,45% и склонны к образованию тре­щин. Сварка требует обязательного подогрева.

Плохо свариваемые стали содержат углерод в количе­стве более 0,45%. При их сварке требуются специальные технологические процессы.

Легирование стали одним или несколькими легирую­щими элементами придает ей определенные физико-ме­ханические свойства. Как правило, повышение уровня легирования и прочности стали приводит к ухудшению ее свариваемости и первостепенная роль в этом принад­лежит углероду.

Низколегированные стали хорошо свариваются всеми способами плавления. Получение же при сварке равно­прочного сварного соединения, особенно у термоупроч­ненных сталей, вызывает определенные трудности. В зо­нах, удаленных от высокотемпературной области, возни­кает холодная пластическая деформация. При наложении последующих швов эти зоны становятся участками дефор­мационного старения. Это в конечном итоге приводит к снижению пластических и повышению прочностных свойств металла и соответственно к появлению холодных трещин. В среднелегированных сталях увеличивается склон­ность к закалке, в связи с чем такие стали имеют высокую чувствительность к термическому циклу сварки. Их около - шовная зона оказывается резко закаленной, а следователь­но, и непластичной при всех режимах сварки, обеспечи­вающих удовлетворительное формирование шва. Поэтому с целью снижения скорости охлаждения околошовной зоны при сварке этих сталей необходим предварительный подогрев свариваемого изделия.

При сварке высоколегированных хромистых 08X13, 08X17Т и некоторых других сталей существуют отличи­тельные особенности:

— -высокий порог хладноломкости стали, находящий­ся обычно в области положительных температур;

— склонность к значительному охрупчиванию в око - лошовной зоне;

— низкая пластичность и вязкость металла шва, вы­полненного сварочными материалами аналогичного со сталью химического состава;

— невозможность устранить охрупчивание термообра­боткой.

Сварку таких сталей необходимо выполнять с мини­мальным тепловложением, так как с увеличением погон­ной энергии возрастает склонность зон сварного соеди­нения к росту зерен, появлению микротрещин и паде­нию пластичности. При этом снижается сопротивляемость сварного соединения локальным повреждениям и меж- кристаллической коррозии. В процессе сварки возникает опасность коробления и появляется повышенный уровень остаточных напряжений.

После сварки в ряде случаев требуется термообра­ботка.

Окисляемость металла под термическим действием сварочной дуги определяется его химической активнос­тью. От этого напрямую зависит степень защиты свароч­ного шва, применяемой при сварке. Чем выше химичес­кая активность металла, тем качественнее должна быть защита. Наибольшей химической активностью отличают­ся титан, ниобий, цирконий, вольфрам, молибден, тан­тал и некоторые другие. Поэтому при сварке этих метал­лов недостаточно применение флюсов и защитных по­крытий, так как в защите нуждается не только сварочный шов, но и прилегающая к нему область. Самой эффек­тивной защитой в данном случае, служит сварка в вакууме или в среде инертного газа высокой чистоты.

Сварка остальных цветных металлов (меди, алюминия, магния, никеля и их сплавов) тоже требует высокой за­щиты, которую обеспечивают инертные газы, флюсы и специальные электродные покрытия.

Для сварки сталей и сплавов на основе железа в каче­стве защитных средств используют флюсы и электродные покрытия.

Прочность сварных соединений — это свойство, не разрушаясь, воспринимать определенные нагрузки в тех или иных заданных условиях. При этом учитывают как рабочие, так и предельные нагрузки.

Под рабочими нагрузками понимают суммарные на­пряжения, возникающие от собственного веса, внешних нагрузок, появляющихся в процессе эксплуатации, и собственных напряжений, создающихся при сварке, сборке и т. д.

Предельными считаются нагрузки, когда наступает те­кучесть в основном сечении, возникшая под действием статических, повторно-переменных и динамических сил.

При этом образуются максимально допустимые по­вреждения или деформации, за которыми следует потеря эксплуатационной способности конструкции.

При расчете несущей способности сварочного шва ориентируются на допустимое напряжение в наиболее опасном сечении элемента і и допустимое напряжение, составляющее некоторую часть от предела текучести нзэ. При этом обязательно должно выдерживаться соотноше­ние: Н5э і s. При таком соотношении элемент конструкции удовлетворяет требованиям прочности. Для большей уве­ренности применяют коэффициент запаса прочности л, который гарантирует ненаступление текучести и для низ­коуглеродистых сталей лежит в пределах 1,35—1,50, а нзэ “ 160 Мпа.

Допустимое напряжение в наиболее опасном сечении s определяют по формуле:

S= N/F,

где F— площадь поперечного сечения элемента, a N — осевое усилие, прикладываемое к нему. '

Говоря о прочности сварочного соединения, не следу­ет забывать о его пористости и трещинах, оказывающих значительное влияние на этот показатель.

Поры в сварочном шве возникают при выделении га­зов в процессе кристаллизации металла. Как правило, это азот, водород или окись углерода, получаемые в резуль­тате химических реакций. Но поры в сварочном шве мо­гут возникать не только от газов. Это явление случается при повышенной тугоплавкости, вязкости и плотности шлаков, которые не покидают пределы сварочного шва.

Поры могут быть внутренними или наружными, рас­полагаться по оси шва или на его границах, форма их может быть округлая, овальная или более сложная, а их размеры могут колебаться от нескольких микрон до не-

Рис. 6. Наличие горячих трещин в сварных соединениях:

1, 2, 3 — поперечные трещины шва и зоны вокруг него в материа­ле; 4, 5— трещины продольные

скольких миллиметров. Уменьшению пористости свароч­ного шва способствует предсварочная подготовка, кото­рая заключается в тщательной зачистке сварного соеди­нения от грязи, масел, ржавчины и прочих посторонних включений. Борются с пористостью при помощи правиль­но подобранных режимов сварки, защитными покрытия­ми и флюсами, вводимыми в сварочную ванну.

Трещины в массиве шва и околошовпой зоны могут быть холодными и горячими. Горячие трещины (рис. 6) возникают в процессе кристаллизации жидкой фазы ме­талла. Этому явлению способствуют линейные сокраще­ния металла, возникающие в результате внутренних на­пряжений. Размеры и направление горячих трещин могут быть самыми различными и зависят от соответствия ма­териала, электродов и режимов сварки.

Для определения этого соответствия сначала сварива­ют пробный образец, который подвергают тщательному анализу.

Наличие трещин может определяться визуально под увеличением, а ответственные детали подвергают про - светке или облучению.

Холодные трещины чаще всего имеют микроскопичес­кий характер и возникают при температурах не более 200°С. Причинами появления холодных трещин может быть хрупкость металла при быстром его охлаждении, остаточные напряжения в сварных соединениях иди по­вышенное содержание водорода.

Коррозия сварных соединений снижает прочность шва и его долговечность. В связи с изрядными структурными изменениями сварных соединений они обладают большей коррозийной активностью по сравнению с основным ме­таллом. Коррозия может быть общей и местной.

При общей коррозии поражается вся поверхность ме­талла, что свидетельствует о его низкой коррозийной стойкости.

Местная коррозия проявляется в наличии отдельных ржавых пятен, точек. Она может быть как поверхностная, так и межкристаллитная.

Наиболее опасна межкристаллитная коррозия, кото­рая проникает вглубь зерен, не разрушая их. Наиболее характерные коррозийные разрушения сварного соедине­ния показаны на рис. 7.

2-Сват>очные работы

Избежать этого опасного явления помогает правиль­ный подбор материалов, сварочных электродов, приме­нение защитных покрытий и замедлителей, которые на­носят на поверхность металла или в коррозионную среду. Хорошие результаты дает применение сварочной прово­локи с высокой коррозийной стойкостью. При сварке та­кой проволокой получается шов с большей коррозийной стойкостью, чем основной металл. На коррозийную ак­тивность сварочного шва Оказывают влияние и выбран­ные режимы сварки.