ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ

РАСЧЕТНАЯ ОЦЕНКА ОЖИДАЕМЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕТАЛЛА ШВА

Прочность и работоспособность сварного соединения зависят от его формы и соотношения механических свойств металла шва, околошовной зоны (обычно зоны термического влияния) и основ­ного металла.

При оценке ожидаемых механических свойств металла шва необходимо учитывать действие следующих технологических фак­торов: долю участия основного металла в формировании шва и его химический состав; тип и химический состав сварочных мате­риалов; метод и режим сварки; тип соединении и число прохо­дов (слоев) в сварном шве; размеры сварного соединения; вели­

шь
чину пластических деформаций растяжения в металле шва при его остывании.

Влияние элементов, входящих в основной металл, участвую­щий в образовании шва, может быть значительным. Не учиты­вать это влияние нельзя. Роль химического состава сварочных материалов очевидна — подбором сварочных материалов можно регулировать химический состав и механические свойства метал­ла шва в самых широких пределах.

Метод сварки определяет тин защиты, ее химическую актив­ность, а режим сварки изменяет долю основного металла, объем жидкого флюса, участвующих в химических реакциях, что, естест­венно, влияет на химический состав металла шва и его свойства.

Тип соединения и число слоев влияют на химический состав металла шва, так как они определяют долю участия сварочных материалов в формировании шва и характер химико-металлур­гических процессов в зоне сварки.

Размеры сварного соединения влияют на характер темпера­турного ноля и термического цикла, определяя также существен­ные для формирования механических свойств металла шва харак­теристики: наибольшую температуру нагрева ГтаХ, длительность выдержки металла в интервале температур выше критических tB и скорость его охлаждения шохл.

Пластические деформации растяжения влияют в основном только на величину предела текучести металла шва, повышая отношение ат ш/сгв ш до величины 0,75—0,8 вместо обычных для прокатной стали отношений 0,65—0,7.

Б связи с этим недостаточно выбирать режим сварки и на­плавки только по показателям сплошности, правильного фор­мирования, отсутствия дефектов, устойчивости и производитель­ности процесса. Необходимо выбирать такие режимы, которые, обеспечивая указанные выше требования, способствовали бы также получению благоприятных структур и механических свойств металла шва и з. т. в.

На основании изучения всех факторов, влияющих на меха­нические свойства металла шва, разработаны приближенные спо­собы оценки ожидаемых механических свойств, многократная проверка которых показала, что расчетные характеристики метал­ла шва по сравнению с экспериментальными определяются с точ­ностью ± 10—15%.

При сварке низкоуглеродистых сталей обычными методами химический состав металла шва, характеризуемый эквивалент­ным содержанием углерода Сош, незначительно отличается от химического состава основного металла, характеризуемого также эквивалентным содержанием углерода Сэо - Для этих сталей Сэ0 = 0,21 ~ 0,35% иС;,_ш = 0,20 ■— 0,30%. Механические свойст­ва металла шва зависят в основном только от скорости его охлаж­дения и пластических деформаций растяжения, возникающих в металле шва при его остывании.

Существенное влияние скорости охлаждения ме­талла шва на его меха­нические свойства связано с известными в металло­ведении особенностями распада переохлажденно­го аустснита, с образова­нием вместо равновесно­го перлита (содержащего 0,83% С) псевдоэвтектои - да, имеющего неравновес­ный состав и более мел­кую структуру. Кроме того, наряду с уменьше­нием количества углерода в псевдозвтектоиде феррит обогащается углеродом, становится также неравновесным и изменяет свои свойства. Измельчаются зерна псевдоэвтектоида и феррита.

Таким образом, с увеличением скорости охлаждения металла шва вместо сравнительно мягких равновесных структур феррит - но-перлитной стали происходит образование неравновесных, мел­кодисперсных структур сорбита, тростита и бейнита, что приво­дит к заметному повышению прочности и уменьшению пластич­ности металла шва. Аналогичное явление происходит в сталях, которые с целью повышения их прочности подвергают процессу так называемого термического упрочнения.

Используя график, приведенный на рис. 104, на котором пока­зано изменение безразмерных коэффициентов, влияющих на харак­теристики металла шва f(HB), /(ст„), (/ от) и /(ф) в зависимости от ско­рости остывания шва, можно рассчитать ожидаемые характерис­тики металла шва. Зная механические свойства основного металла и режим сварки, рассчитывают скорость охлаждения шохл, по графику определяют соответствующие безразмерные коэффициенты и определяют ожидаемые механические свойства металла шва по очевидным формулам:

ш — / (^в) Ов. о’> ®т. ш = / (с^т) ^Т. о!

фш = / (Ф) фо) нвш = / (сів) НВ0- 6ц] — 0,43фш,

где аЕдп, ат. ш, фш> НВШ, 6Ш — соответствующие характеристики металла шва, а оВ0, ат0, ф0, НВ0 — предел прочности, предел текучести, относительное поперечное сужение и твердость основ­ного свариваемого металла.

Для легированных сталей необходимо учитывать более точно химический состав металла шва (рис. 105). Изучая комплексное легирование металла шва с пределом легирования:

С <0,3%; Si <1,0%; Мп < 2,5%; Сг < 3,0%; Ni <3,0%; Мо <1,0%; Си < ^ 3,0%; А1 < 0,75%; Ті < 0,35%; W < 2,0%, уста­новлено, что для данного диа­пазона легирования измене­ние механических свойств ме-

талла шва пропорционально концентрации легирующих элементов и что при коми-

„ , лексном их легировании дей-

С одержание легирующего элемента г ^

ствие всех элементов подчи­няется закону аддитивности. Непосредственное определение механических характеристик металла швов позволило установить коэффициенты влияния каждого элемента и составить эмпирические уравнения для рас­чета ожидаемых механических характеристик металла сварных низколегированных швов в следующем виде: для предела прочности шва, кгс/мм2

ов ш = 4,8 + 50С + 25,2Mn +17,5Si + 23,9Cr + 7,7Ni +

_j_ 8W + 70Ti + 17,6Си + 29A1 + 16,8Mo (41)

для относительного удлинения шва, %

6Ш = 50,4 - [21,8С + 15Мп + 4 9Si + 2,4Ni + 5,8Сг +

+ 6,2Cu + 2,2W + 6,6TiJ - f 17.1A1 + 2,7Mo (42)

для ударной вязкости шва при Т = 20° С, кгс • м/см[2]

а„ ш = 23,3 — [25,7С + 6,4Мп + '+8,4Si + 2,4Cr+l,6Ni4- + 4Cu + 0,5W + l,4Mo +

+ 15,4Ті] + 18А1 (43)

для предела текучести шва

Рт. ш = 6,73ств_ ш; (44)

для относительного попереч­ного сужения

= 2,326ш. (45)

В этих формулах значе­ние каждого компонента при­нято в процентах.

Формулы (41)—(45) справедливы при условии, что концент­рация отдельных элементов лежит в указанных выше пределах, суммарное содержание всех легирующих элементов не превышает 5% и скорость охлаждения металла шва не превышает 2° С/с (т. е. отсутствует эффект закалки). При больших скоростях ох­лаждения необходимо учитывать эффект закалки, используя данные рис. 106, на котором эффект закалки в зависимости от скорости охлаждения приведен для двух эквивалентных содержаний угле­рода Сэ = 0,26 и Сэ = 0,57. Для промежуточных значений Са реко­мендуется пользоваться интерполяцией и определять шохл. Эквнва-

лоптпое содержание углерода в шво подсчитывают по фор­муле

р, п, Мп . Cr. V. Mo J і. Си. Р

и = ь + -1Г + Т + Т+Т + ІГ + ТГ + Т-

где С, Мп, Cr, V, Мо и т. д. — процентное содержание легирую­щих элементов в металле шва. Медь и фосфор учитывают только в том случае, если концентрация меди больше 0,5%, а фосфора больше 0,05 %. Для определения химического состава металла шва можно воспользоваться правилом смешения.

Площадь наплавки можно рассчитать по уравнению (19), а площадь провара — по формуле

К 0,95-10-4.

^ев

Полный тепловой к. п. д. Т|Пр зависит главным образом от ско­рости сварки и плотности тока в электроде (рис. 107).