МАТЕРИАЛЫ И ИХ ПОВЕДЕНИЕ ПРИ СВАРКЕ

Горячие трещины

Подобные трещины являются одним из видов высоко­температурных межкристаллитных разрушений. Главной причиной их образования в соответствии с современны­ми представлениями [4, 7] является снижение технологи­ческой прочности металла в процессе кристаллизации, оп­ределяющееся величиной температурного интервала хрупкости (ТИХ) металла шва, его пластичностью 5 в этом интервале и нарастающим темпом деформации шва и при­легающих к нему участков околошовной зоны. Взаимо­связь этих параметров и схема возникновения горячих трещин представлены на рис. 8.1.

Из схемы становится понятным, что вероятность за­рождения горячих трещин зависит от:

1) величины (ширины) интервала кристаллизации сплава (шва) Тлик — Тсол и связанной с ним вели-

чины температурного интервала хрупкости ТИХ (зависит от состава свариваемого сплава, степени легирования, состава шва и примесей в нем, до­лей участия основного и наплавленного металла в шве и т. п.);

2) величины минимальной пластичности 5П1Ш (зави­сит от состава шва, размеров кристаллитов, на­правления их роста в ванне, формы шва и режи­мов сварки);

3) темпа нарастания упругопластических деформа­ций в процессе охлаждения сварного соединения от высоких температур єсум (зависит от скорости охлаждения металла, т. е. режимов сварки, жестко­сти сварной конструкции, последовательности вы­полнения сварных швов и т. п.).

Исходя из указанных причин появления трещин, рас­смотрим влияние химического состава, технологических и конструктивных факторов на образование горячих трещин при сварке.

Химический состав шва оказывает первостепенное влияние на стойкость шва против образования горячих трещин, так как он определяет ширину ТИХ и величи­ну минимальной пластичности 8min. Известно, что леги­рующие элементы, входящие в состав металла шва, ус­ловно можно разделить на три группы:

1) уменьшающие стойкость металла против кристалли­зационных трещин (S, Р, РЬ) и попадающие в шов из основного и электродного металлов и флюсов,

2) уменьшающие или увеличивающие стойкость против образования кристаллизационных трещин в зависимости от их концентрации и взаимного сочетания (С, Mn, Si и др.). Окислы элементов, попадающие в шов из-за недостаточной защиты сварочной ванны, увеличивают вероятность тре- щинообразования;

3) не влияющие на образование кристаллизацион­ных трещин (Si в малых количествах).

Как правило, чем более легированный шов или он более загрязнен примесями, тем шире ТИХ и выше склонность металла шва к горячим трещинам, т. е. го­рячие трещины являются более характерными для леги­рованных сталей.

Форма сварочной ванны, определяющаяся параметра ми режима сварки, изменяет направление роста столб­чатых кристаллитов, характер их срастания в срединной части шва и степень локального скопления эвтектики и неметаллических включений, что прямо отражается на снижении трещиностоикости металла шва.

Форма шва характеризуется коэффициентом формы

“te/li При vj;,,,-0,8... 1,2 (узкий пли корневой шол)крн сталлиты срастаются под углом близким к 180° (рис. 8.2, а), что ведет к образованию трещин в срединной части шва. При |/ш = 1,3...4,0 кристаллиты встречаются под острым углом и легкоплавкие составляющие распределяются бо­лее равномерно по сечению шва, что снижает трещино - образование (рис. 8.2, б). При уш > 4,0 (широкий напла­вочный шов) кристаллиты растут «параллельно» друг другу и это существенно усиливает склонность к горя­чим трещинам (рис. 8.2, в).

Снижение темпа єсум нарастающих деформаций, а сле­довательно, и уровня растягивающих напряжений в про­цессе кристаллизации сварочной ванны существенно повышает стойкость шва против кристаллизационных ірещин (є Зсум < £ 1сум, см рис. 8.1).

Оно достигается за счет технологических мер, реали­зуемых при сварке (оптимизация состава шва, рацио­нальный порядок наложения швов, выбор рациональ­ных способов и режимов сварки) и рационального конструирования сварных узлов (рассредоточенность расположения швов, типы сварных соединений и т. п.). Предварительный подогрев, в частности, является одним из эффективных, хотя и дорогих средств устранения го­рячих трещин. Уровень подогрева во многом определя­ется содержанием углерода и легирующих в свариваемых деталях и находится в интервале 150...500 °С.

Размер первичных: кристаллитов влияет на количество плоскостей скольжения и поворот кристаллитов в про­цессе высокотемпературной деформации. Чем больше кристаллов в объеме шва (мельче зерно), тем выше пла­стичность металла и меньше возможность образования трещин. Кроме этого мелкозернистость шва снижает степень химической неоднородности, т. е. уменьшает концентрацию вредных примесей по границам кристал­литов, что благоприятно сказывается на повышении трещиностойкости.

Способы и критерии оценки свариваемости сталей и влияния технологии сварки на образование горячих тре­щин могут быть прямыми и косвенными.

При прямых способах металл шва и зону сплавления подвергают высокотемпературному машинному дефор­мированию с приложением внешних сил в процессе сварки. Испытания проводят согласно ГОСТ 26398-84, подвергая образцы стандартных размеров растяжению или изгибу с имитацией сварочного цикла или без него. Процедура испытания предусматривает их деформиро­вание с регулируемой скоростью перемещения захватов машины (скоростью деформации) вплоть до появления горячих трещин. Сварку проводят на определенных ре-

жимах для заданного типа соединения и толщины ме­талла. Как правило, выбранную эффективную тепловую мощность режима сохраняют неизменной, а изменяют скорость сварки. Типовые формы образцов и схемы дей­ствия сил при испытаниях указаны на рис. 8.3. По ре­зультатам испытаний определяют критическую скорость Вкр (темп деформации), которую и принимают за срав­нительный количественный показатель сопротивляемо­сти образованию горячих трещин (VKp, мм/с) при задан­ном режиме сварки. При изменении химического состава стали или шва изменяется величина Вкр: чем сложнее состав, тем меньше значение Вкр.

Более простыми прямыми способами оценки склонно­сти к горячим трещинам являются технологические пробы. При этом оценивается воздействие на металл шва деформации от усадки и формоизменения сварива­емых образцов заданных размеров. Некоторые схемы технологических проб приведены на рис. 8.4 и 8.5.

б

Рис. 8.4. Технологические пробы МГТУ (а) и ИМЕТ (б) на склонность основного металла к горячим трещинам:

1 — испытуемый образец; 2 — медный поддон;

3 — источник нагрева

Уев

Ш)

а/с

Рис. 8.5, Технологические пробы на склонность швов к горячим трещинам: в) проба МГТУ; г) проба ЛТП МГТУ); д) проба «жесткий тавр»; е) проба ИМЕТ; ж) проба «лихайская»; з) проба «вварыш»

Качественными критериями оценки свариваемости является наличие горячих трешин или их отсутствие, а количественно они определяются, например, числом трещин на единицу длины шва, суммарной длиной тре ­щины, отношением площади трещин к площади шва, шириной проб, наличием на них искусственно создан­ных надрезов

При косвенных способах (расчетно-статистических, расчетно-экспериментальных) склонность (или стой­кость) металла шва к горячим трещинам оценивается по его химсоставу следующими показателями:

1. Углеродный эквивалент материала или шва

TOC o "1-5" h z „ Р 5/-0,4 Мп-0,8 Ni 0-0,8 _ч

= С, + 2S + —+--- — +--------- + —+-------- . (8.2)

ж ф 3 7 8 8 10

При значении Сэкп< 0,35...0,4 и фактическом содер­жании yj лерода Сф< 0,16 горячих трещин в металле шва, как правило, не имеется.

2. Показатель трещинообразования

25 100,

ЪМп + О + Mo + V

При HCS = 4 металл шва не склонен к горячим тре­щинам для сталей с ов< 700 МПа и при HCS < 2 для ста­лей с ав > 700 МПа.

Известны и другие расчетно статистические способы оценки склонности швов к горячим трещинам [4, 7]. За­метим, что наибольшей склонностью к горячим трещи­нам обладают высоколегированные и разнородные ста­ли, о чем будет сказано в гл. 13, 14, 15.