ОСНОВЫ СВАРКИ СУДОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ

ХОЛОДНЫЕ ТРЕЩИНЫ ПРИ СВАРКЕ

Холодные трещины при сварке определяются как межкристалли - ческое разрушения металла, могущее происходить как в металле шва, так и в металле ЗТВ. Причинами образования такого рода трещин являются:

1) структурное состояние металла шва и ЗТВ (наличие составля­ющих мартенситного и бейнитного типа);

2) наличие достаточно высокого уровня растягивающих напря­жений 1-го рода, определяемого конструктивными особеннос­тями элементов сварной конструкции (ее жесткостью), типом металла шва, параметрами режима сварки;

3) повышенное содержание водорода в металле шва.

Холодные трещины являются одним из случаев замедленного разру­шения металла, которое связано с микропластическим течением по гра­ницам зерна. Очаги трещин, возникающих в относительно малопластич­ном металле с большим содержанием низкоуглеродистого мартенсита, имеют, как правило, микроскопические размеры. Распространение таких микротрещин связано с развитием у ее вершины пластической деформа­ции, контролируемой энергией пластического течения.

Водород образует пересыщенный твердый раствор в зоне растяги­вающих трехосных напряжений у острия микротрещины, что снижа­ет критический размер микротрещины и уменьшает сопротивление ее дальнейшему развитию.

Оценка сопротивляемости сталей образованию холодных трещин производится разными способами:

а) по химическому составу расчетом углеродного эквивалента и сопоставлением полученных по эмпирической формуле значе­ний с критическим;

б) то же, но с учетом жесткости соединения;

в) путем сварки лабораторных технологических проб различной жесткости.

Предотвращения образования холодных трещин (или увеличе­ния сопротивляемости сталей их образованию) можно добиваться следующими средствами.

1. Выбором таких режимов теплового воздействия на металл, при которых в шве и ЗТВ будут наблюдаться благоприятные струк­туры (перлитная, структура нижнего бейнита или определен­ное граничное содержание мартенсита). Эта мера связана с тех­нологическими приемами, регулирующимися изменением величины погонной энергии qn, применением предварительно­го или сопутствующего подогрева с последующим отпуском (или без него).

2. Снижением уровня остаточных сварочных напряжений (в том числе и реактивных) путем создания рациональных конструк­ций сварных узлов и различными технологическими способа­ми (в том числе проковкой либо прокаткой металла шва).

3. Снижением содержания водорода в металле шва до значений, устанавливаемых нормативной документацией для конкрет­ного химического состава металла шва. Это достигается про­калкой электродов и флюса, уменьшением скоростей охлаж­дения сварного соединения при подогреве и последующем отпуске.

Одним из методов оценки склонности к образованию холодных трещин при сварке сталей может служить расчетное определение уг­леродного эквивалента. Расчет ведется, исходя из влияния каждого легирующего элемента данной системы легирования по отношению к главному упрочняющему элементу системы - углероду.

Предложен целый ряд формул для определения углеродного эк­вивалента. К числу наиболее употребляемых относится

С =С+—=—+—+—+—+—

6 10 24+ 5 4 +14

Получив для данного состава стали значение С|кч. определяют склонность ее к появлению холодных трещин при сварке.

Стали с С1Кв < 0,45 не склонны к образованию холодных трещин. В сталях с Сжа > 0,45 при сварке они потенциально возможны. Ины­ми словами, углеродный эквивалент характеризует прокаливаемость стали, т. е. некоторую критическую скорость закалки на заданную твердость. Для сварных соединений, выполненных на сталях раз­личного состава, за допустимую твердость принимают величины до HV 350; при такой твердости на практике не наблюдается холодных трещин (считается, что стали с углеродным эквивалентом С1кв < 0,45 во всем возможном диапазоне скоростей охлаждения не закалива­ются до твердости выше 1IV 350). Однако для сталей с углеродным эквивалентом Спа > 0,45 его нельзя считать единственным показате­лем, определяющим склонность этих сталей к образованию холод­ных трещин при сварке.

Учитывая изложенные причины, влияющие на образование хо­лодных трещин, японские исследователи приводят следующий параметр трещинообразования;

из

Р =С+^+^+^^+^+-+5В+Ы+JkL_, 20 20 20 20 15 10 60 40 10л

где [Н] - содержание диффузионного водорода в металле шва, см!/100г;

ктс

к,. - коэффициент жесткости соединения, —: s - толщина ме - 0 мм - мм

талла, мм.

Коэффициент к0 характеризуется силой сопротивления, соответ­ствующей перемещению кромок соединения на 1 мм и отнесенной к толщине металла и длине шва. Для различных по жесткости сварных

ктс

соединений к., = 50...400 —з---------- •

“ мм • мм

В уравнение введено и содержание водорода как фактора, способ­ствующего образованию холодных трещин; диффузионный водород в металле шва определяется по принятым методикам.

Если критерий трещинообразования Д > 0,285, то в сварных со­единениях с V-, X - и U-образньіми разделками появляется вероят­ность образования холодных трещин. Такие расчеты и эксперименталь­ные исследования по определению чувствительности различных зон сварного соединения к образованию холодных трещин проводятся на стадии определения свариваемости основного материала, выбора сва­рочных материалов, способов сварки, параметров режимов сварки. В судостроении проводятся оценочные испытания принимаемых ма­териалов и технологий перед строительством корпусов судов. В час­тности, этому служит жесткая проба ЦНИИ ТС. Она представляет собой две пластины 0,5 • 2,0 м, собранные для сварки стыкового со­единения по наибольшей длине с соответствующей разделкой кро­мок по принимаемому способу сварки. Пластины перпендикулярно шву закреплены несколькими ребрами жесткости, приваренными до выполнения контрольного шва. Они запрещают угловую деформа­цию пластин во время сварки контрольного шва. После его сварки соединение контролируется ультразвуком и у-контролем на предмет выявления дефектов, разрезается по специальной схеме на макро­шлифы. После анализа результатов контроля и осмотра шлифов да­ется заключение о возможности допуска представленных материа­лов и технологий для промышленного производства.