СВАРКА И СВАРИВАЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Способы и критерии оценки склонности к XT

Способы оценки склонности к трещинам можно классифициро­вать по следующим основным признакам:

1) характеру процедуры оценки — на косвенные и прямые;

2) характеру показателей склонности — на качественные, полуколичественные и количественные;

3) характеру использования показателей склонности — сравнительные и прикладные.

Косвенные способы позволяют получать оценку склонности к трещинам расчетным путем без непосредственного испыта­ния материалов.

Прямые способы предусматривают сварку технологических проб, специализированные испытания сварных соединений или образующих его материалов в условиях, имитирующих сва­рочные.

Критерии оценки или показатели склонности к трещинам, как правило, выражаются через характеристики одного или совокупности изменяющихся факторов, обусловливающих об­разование трещин. Качественные критерии не имеют количест­венного выражения и по существу имеют смысл «материалы склонные» или «несклонные» к трещинам.^ Количественные критерии имеют численное выражение, связанное с изменением одного из факторов, контролирующих процесс образования трещин, и однозначно оценивают склонность (стойкость или сопротивляемость) к трещинам. лЕсли при определении показа­телей склонности к трещинам одновременно изменяются не­сколько активных факторов, а критерий оценки является чис­ловой характреистикой одного из них, то есть следует считать полуколичественным.

Способы оценки, критерии которых могут быть использо­ваны только для сопоставления материалов или технологиче­ских вариантов сварки по их склонности к трещинам, относят к сравнительным. Количественные критерии, которые могут быть использованы для оценки стойкости сварных соединений конструкций против трещин, относят к прикладным.

6.4.2.1. Расчетные методы. При разработке расчетных ме­тодов применяют два основных методических подхода. Первый используют параметрические уравнения, полученные статисти­ческой обработкой экспериментальных данных. Они связывают выходные параметры (показатель склонности к трещинам, тре­буемую температуру подогрева и другие) с входными парамет­рами (химическим составом, режимом сварки и другие) без анализа физических процессов в металлах прн сварке, обус­ловливающих образование трещин. Поэтому их применение ограничено областью, в пределах которой изменялись входные параметры при проведении экспериментов. При этом часто не учитывается все многообразие факторов, влияющих на образо­вание трещин, в том числе и существенно значимых. Второй предусматривает анализ физических процессов в металлах при сварке, обусловливающих образование трещин. В этом случае используются концептуальные физические модели процесса разрушения при образовании трещин, аналитические зависи­мости законов металлофизики, регрессионные уравнения, опи­сывающие характеристики и константы материалов на основе статистической обработки опытных данных. Такие расчетные методы имеют более универсальный характер, чем параметри­ческие уравнения, и позволяют учитывать достаточно широкий ряд металлургических, технологических и геометрических фак­торов. Выполнение расчетов производится с помощью ЭВМ.

В настоящее время широко используются следующие пара­метрические уравнения:

1. Расчет значения эквивалента углерода Сэкв

С„_с+Дї - + Щ + -™- + -5- + _М£. + ДД + 5В. (6.2)

6 24 10 5 4 14 ' '

'где символы элементов и их содержание в %.

Стали, у которых СЭКв>0,45 %, считаются потенциально склонными к образованию трещин. Сэкв является обобщенным параметром состава стали, характеризующим ее прокаливае - мость. При СЭквЭ>0,45 % при сварке становится возможным образование закалочных структур в металле сварного соедине­ния, что при условии насыщения ме'талла водородом и высо­ких сварочных напряжений может привести к образованию хо­лодных трещин. Значение СЭКв вне связи с этими условиями не может служить показателем действительной склонности свар­ного соединения к трещинам.

2. Расчет параметра трещинообразования Рю, % [5, 8]

и.. к

(6.3)

60 40.104

_ . Si, Мп. - Сг, Си. Ni. Mo. V.

где Ягл — количество диффузионного водорода в металле шва, установленное глицериновым методом, мл/100 г (соотношение с ртутным методом МИС Ягл = 0,64 Ямис—0,93); К — коэффи­циент интенсивности жесткости, Н/(мм*мм) (Я=Ко6; Ко— постоянная, имеющая значения в пределах 200—1000 Н/(мм2Х Хмм) в зависимости от жесткости конструкции, для пробы Тэккен 685; 6 — толщина стали, мм.

При Рю> 0,286 возможно образование холодных трещин в зоне термического влияния в корне шва сварного соединения типа пробы «Тэккен». Уравнение (6.3) получено статистической обработкой результатов испытаний с помощью пробы «Тэккен» применительно к низколегированным сталям с содержанием углерода 0,07—0,22 % с пределом текучести 500—700 МПа при сварке с qfv= 17 кДж/см. Использование (6.3) возможно для указанных составов стали и режима сварки.

Параметр Pw используют для расчета предварительной тем­пературы подогрева, исключающей трещины: Тп= 1440 Pw—392. Например, при Рго = 0,286 Тп=20 °С; при Pw = 0,345 (сталь 0,20% С; 0,30% Si; 0,80% Мп; 0,2% Сг; Ягл = 3; 6 = 20 мм) 7п=Ю5 °С.

3. Расчет стойкости против холодных трещин стыковых сварных соединений жестко закрепленных элементов может быть выполнен с помощью компьютерных программ [11, 12]. Программный комплекс «Свариваемость легированных сталей» позволяет выполнить расчеты кинетики физических процессов и их выходных параметров, определяющих показатели свари­ваемости.

Путем сопоставления действительных и критических значе­ний факторов трещинообразования (структуры, водорода и на­пряжений) оценивается стойкость сварных соединений против трещин (рис. 6.14).

Например: 0Св<0Кр— условие стойкости ЗТВ сварных соединений про­тив образования холодных трещин; 0Кр=0о,2(зтв)(2,753—0,51 Я„с23+0,307 Сх

ХЯд+0,017 //„2-~4,186 С—0,005 S„—4,457 Я3+10,213 С-Д,—0,54 Нл +

+ 0,005 CS„+0,005 S„• Дз+1,021 С2+0,058 Ц23. где 0кр — критическое разрушающее напряжение, регрессионное уравнение для которого получено статистической обработкой результатов испытаний сталей на замедленное разрушение в условиях термического цикла сварки; По,2(зтв)—предел текучести ЗТВ; % С—содержание углерода; S„ — дей­ствительное содержание структурных составляющих («+»5Д — мартенсит, остальное бейнит; «—»5Д — ферритоперлит, остальное бейнит); d3 — диаметр действительного аустенитиого зерна, мм; Я„ — действительная концентрация хроматографического диффузионного водорода в ЗТВ, см3/100 г. Действитель­ные значения параметров рассчитаны на основе анализа физических процессов в металле при сварке.

Если условие стойкости против трещин не обеспечивается, то в автоматическом режиме счета определяются значения по­гонной энергии сваркц, температуры подогрева, исходное со­держание водорода в шве и жесткость закрепления сваривае­
мых элементов, которые обеспечивают отсутствие холодных трещин. Математические соотношения и модели, v используемые в программе, рассмотрены в III томе справочника по сварке в разделе «Расчетные методы».

'6 4.2.2. Сварочные технологические пробы. Технологические пробы по характеру использования получаемых результатов

можно разделить на - пробы лабораторного и отраслевого на­значения. Первые дают сравнительную оценку материалам или технологическим вариантам безотносительно к определенному виду сварных конструкций. Они служат для рассортировки материалов и исследования влияния различных факторов на склонность к трещинам. Пробы отраслевого назначения позво­ляют получать прикладную оценку материалов в условиях максимально приближенных к конструктивным, технологиче­ским и климатическим условиям изготовления сварных кон­струкций определенного вида. С их помощью выбирают мате­риалы и технологию, обеспечивающие стойкость сварных со­единений против трещин.

Проба СЭВ— 19ХТ

(ГОСТ 26388—84) — набор

трех плоских прямоугольных составных образцов толщиной 12—40 мм с различной общей длиной свариваемых элемен­тов 100, 150 и 300 мм, жестко закрепленных по концам (рис.

6.15). Для закрепления образ­цов к ним предварительно привариваются специальные концевики. Перед сваркой об­разцы закрепляются в зажим­ном приспособлении, представляющем массивную плиту с про­резями, в которые помещаются концевики и закрепляются прижимными болтами. Сварка пробы выполняется однопро­ходным швом одновременно всех трех образцов. После сварки проба выдерживается в закрепленном ■ состоянии в течение 20 ч. После освобождения пробы из приспособления в ее об­разцах выявляются холодные трещины различными видами контроля, в том числе путем травления поверхности и корня шва и зоны термического влияния 5 %-ным водным раствором азотной кислоты. После просушки образцы разрушают. Про­травленные части излома, выявленные визуальным осмотром с помощью лупы с увеличением X 3, принимают за образовав­шиеся при испытании трещины.

За количественный показатель склонности к холодным тре­щинам принимают максимальную длину свариваемых элемен­тов, в которых образовались трещины. Показатель устанавли­вают по двум одинаковым результатам испытаний трех проб.

Проба «Тэккен» (ГОСТ 26388—84)—плоский прямо­угольный образец толщиной 12—40 мм с продольной прорезью в центре, оформленной в виде У-образной разделки (рис. 6.16). Образец сваривается в свободном состоянии и выдерживается после сварки 20 ч. Применение пробы, как правило, ограничи­

вается сваркой ручной покрытыми электродами и в защитных газах. Трещины образуются в корневой части сварного соеди­нения в результате действия высоких усадочных напряжений. Обязательное условие работы пробы — наличие непровара в корне шва, который служит концентратором напряжений. Наличие трещин выявляется различными методами контроля, в том числе и протравливанием раствором кислоты с последую­щим изломом образца.

При образовании трещин в качестве дополнительного срав­нительно-количественного показателя принимают процентное

отношение суммарной длины трещины к длине шва или пло­щадь трещины к площади сечения шва. За количественный по­

казатель стойкости против трещин принимают температу­ру подогрева, при которой уже не образуется трещин.

Проба ЦНИИТС [5, 8] имеет отраслевое назначение применительно к судострое­нию. Представляет собой на­турный образец, воспроизво-

Рис. 6.17. Технологическая сварочная про - ДЯЩИИ МНОГОСЛОИНОЄ СТЫКОВОе

ба цниитс соединение судовых корпус-

ных конструкций (рис. 6.17). Сварку пробы выполняют по технологии, принятой при произ­водстве подобного рода конструкций. Через сутки после сварки проба с помощью анодно-механической резки разрезается на заготовки для изготовления из них продольных, послойных и поперечных шлифов. Шлифы после травления исследуют визу­ально с помощью лупы с увеличением ХЗ на наличие трещин.

Количественным показателем стойкости сварных соедине­ний против трещин служит численное значение начальной тем­пературы пробы перед сваркой, начиная с —25 °С, при которой уже не образуются трещины.

6.4.2.3. Методы специализированных механических испыта­ний сварных образцов. Методы специализированных механиче­ских испытаний сварных образцов (или «машинные» методы) основаны на доведении зоны металла термического влияния или металла шва до образования холодных трещин под дейст­вием напряжений от внешней длительно действующей постоян­ной нагрузки [8]. При испытаниях серию образцов нагружают различными по величине нагрузками непосредственно после окончания сварки и выдерживают их под нагрузкой в течение 20 ч. За сравнительный количественный показатель сопротив­ляемости металла сварных соединений трещинам принимают минимальное растягивающее напряжение от внешней нагрузки Op. min, при которой начинают образовываться трещины.

Показатели сопротивляемости трещинам, получаемые с по­мощью машинных испытаний, оценивают только технологиче­скую прочность металла сварных соединений. Они могут ис­пользоваться для сравнения материалов и технологических ва­риантов сварки, однако они не применимы непосредственно для оценки стойкости против трещин сварных соединений кон-

Рис. 6.18. Образцы и схема нагружения при испытании по методу ЛТП2-3: а — толщины 1—3 мм, изгиб распределенной нагрузкой; б, в — толщины 8—20 мм, четырехточечиый изгиб вдоль шва и поперек шва соответственно; г — толщины 8—

20 ММ, КОНСОЛЬНЫЙ изгиб

струкций, так как для оценки стойкости необходим учет вели­чины действующих сварочных напряжений.

Метод ЛТП2 (ГОСТ 26388—84) предусматривает испыта­ние нескольких типов сварных образцов: плоских круглых тол­щиной 1—3 мм с диаметральным швом по схеме изгиба, жестко заделанной по контуру пластинки распределенной на­грузкой, плоских прямоугольных толщиной 8—20 мм с попереч­ным или продольным швом по схеме четырехточечного изгиба, тавровых толщиной 8—20 мм по схеме консольного изгиба (рис. 6.18). Разрушающие напряжения определяют прибли­женно по соотношениям теории упругости: для плоских круглых образцов

ахф = 0,12 (-у1-)* Р = 0.0044-І - (-у-)" Р2> МПа;

для плоских прямоугольных образцов

12£6(/т- /о)

а = 0,65

2L + 2L{L3 — Щ

где — прогиб в центре образца на базе Lb м; /о — остаточ­ный прогиб в центре образца на базе L после снятия на­грузки, м; б — толщина стали, м

для тавровых образцов

где Л4ИЗГ— изгибающий момент, МПа-м; b — ширина образца, м; &ср—'Средний катет углового шва на стенке таврового об­разца по пяти измерениям вдоль шва, м.

При напряжениях выше предела текучести основного ме­талла точность расчета по приведенным соотношениям суще­ственно снижается, так как они не учитывают пластического течения металла.

Метод «Имплант» [8,2] (ГОСТ 26388—84) предусматри­вает испытание цилиндрического образца — вставки (им - планта) с винтовым надрезом, который монтируется в отвер­стие пластины и частично переплавляется наплавленным на пластину сварным валиком (рис. 6.19). Сварочный термиче­ский цикл регулируют, изменяя погонную энергию сварки. За стандартный принят цикл, характеризуемый временем охлаж­дения от 800 до 500 °С (fe/5), равным 10 с. В процессе охлаж­
дения в диапазоне 150—100 °С образцы нагружают постоян­ным растягивающим усилием. Разрушающие напряжения рас­считывают приближенно относительно поперечного сечения об­разца в надрезе без учета концентрации напряжений.

Метод ЛТП-3 [8] предусматривает моделирование (имита­цию) сварочных термических и термодеформационных циклов в образцах основного металла, последующее их наводорожива - ние и испытание на замедленное разрушение. Испытываются плоские образцы 1,5X10X100 с боковым надрезом 0,2x3 путем четырехточечного изгиба постоянным длительно действующим моментом (рис. 6.20). Под нагрузкой образцы выдерживаются 20 ч. Имитация сварочных циклов производится проходящим

Рнс 6 20 Образец (а) и схема нагружения (б) при испытании на замедленное разрушение по методу ЛТПЗ

электрическим током, наводороживание — электролитическим способом, надрез после наводороживания —тонким наждач­ным кругом. За количественный показатель сопротивляемости замедленному разрушению принимается минимальное среднее напряжение, приводящее к образованию трещины в сечении с надрезом (ар mm). Расчет разрушающего напряжения выпол­няется приближенно по соотношению для упругого нагружения бруса по схеме чистого изгиба. Поэтому показатель использу­ется для сравнения влияния исследуемых факторов (состава, структуры, концентрации водорода и др.).

За рубежом применяют аналогичные испытания на замед­ление разрушения по методам «Терморестор» [29] и «Smith - weld» [ЗО].