Сварные конструкции. Расчет и проектирование

ГОРЯЧИЕ ТРЕЩИНЫ

Под технологической прочностью сварных соединений понимают их способность выдержи­вать без разрушения различного рода воздействия, которые могут возникнуть в процессе сварки, остывания или вы­леживания сварных конструкций под влиянием сварочных деформаций и напряжений.

Различают так называемые горячие трещины, которые представляют собой межкристаллическне разрушения, воз­никающие во время кристаллизации металла, а также при высоких температурах в твердом состоянии из-за вяз­копластической деформации, и холодные трещины, природа которых может быть различной. У многих низколегиро­ванных и легированных сталей они образуются под влия­нием фазовых превращений в твердом состоянии после окончания процесса сварки в течение последующих не­скольких суток. В процессе сварки и остывания могут возникнуть также деформационные трещины, вызванные исчерпанием пластичности металла в концентраторах на­пряжений.

Исследованиями установлено, что в процессе сварки в зоне затвердевания расплавленного металла в большин­стве случаев возникают напряжения растяжения вслед­ствие образующихся деформаций удлинения металла. Соб­ственные (внутренние) деформации е в соответствии о формулой (6.2) равны разности наблюдаемых ен и темпе­ратурных еа деформаций, т. е.

в в ®упр "Ь вал = ®а - Р-0

Структура формулы (7.1) показывает, что одной из причин появления деформаций удлинения является тем­пературная усадка металла, выражаемая величиной е.,. Нели температура понижается, т. е. А7'<0, то значение — еа——а АТ положительно Следовательно, даже при е„<0 может возникать деформация удлинения. Деформации удлинения будут еще больше, если е„>0. Значения ен становятся положительными вследствие сложных процес­сов нагрева и охлаждения соседних участков. Значения еи зависят также от формы свариваемых деталей и их
закрепления. Например, при приближении шва к краю пластины (рис. 7.1, а) происходит расширение металла в направлении сварки vc и резкое увеличение размера / в зоне кристаллизующегося металла ванны при развороте кромок. Узкие пластины (рис. 7.1, б) при сварке сильно изгибаются от неравномерного нагрева и создают удли­нение металла в районе участка Л рядом со сварочной ванной; одновременно по той же причине происходит

увеличение размера /,. Механические испытания металлов при высоких температурах показывают, что пластичность металла 6 в некотором интервале температур солидуса Тс п ликвидуса Тя очень мала (рнс. 7.2). Этот интервал полу­чил название температурного интервала хрупности (ТИХ). Наличие ТИХ, в котором минимальная пластичность 6т|„ может снижаться до 0,1. . .0,5%, является одной из ос­новных причин образования горячих трещин. За период пребывания металла в этом интервале могут накопиться такие деформации удлинения, которые превзойдут уровень пластичности в ТИХ. Возможность образования горячих трещин тем больше, чем меньше пластичность металла в ТИХ, чем шире ТИХ и чем больше темп а* собственных (внутренних) деформаций удлинения е при сварке. Под темпом понимают частную производную деформации по

температуре a*=-yji. У некоторых сплавов могут быть два

или даже три температурных интервала хрупкости. При этом второй и третий интервалы проявляются при тем­пературах ниже Те.

Горячие трещины возникают как в швах, так и вблизи линии сплавления в зоне термического влияния. Они могут располагаться как вдать, так и поперек шва.

Образование трещин зависит главным образом от со­става металла шва и основного металла, формы и размеров свариваемого узла конструкции, режимов и условий сварки. Существуют разнообразные методы и приемы определения сопротивляемости сварных соединений образованию горя­чих трещин. В начале развития исследований технологи­ческой прочности пригодность металлов и принятой тех­нологии для производства сварных конструкций опреде­ляли только путем пробы, т. е. сварки специально подоб­ранного образца или серии образцов. В разных странах было разработано много разнообразных сварочных тех­нологических проб. Они отличаются между собой формой образца и условиями сварки. В каждой из проб принят определенной формы образец, который должен обеспечи­вать по возможности больший уровень є по формуле (7.1), чтобы заведомо создавать больший темп деформаций в шве в период кристаллизации металла. Была распрост­ранена точка зрения, что этого можно достичь, как правило, сваркой швов в образцах высокой жесткости. Впослед­ствии было показано [51, что в пластинах небольшой ши­рины (рис. 7.1, б) вследствие их значительного изгиба можно вызвать при сварке большие темпы деформаций в шве. Например, на рнс. 7.3, а, б показаны образцы неко­торых проб, в которых трещины возникают вследствие по­вышенной деформации изгиба образцов при их сварке (рис. 7.3, а) или проплавлений (рис. 7.3, б). Сваривая образцы различной ширины В (рнс. 7.3, а), можно полу­чить трещины большей или меньшей длины I. При сварке образца (рнс. 7.3, б) находят Вкр — ширину, начиная с которой образуются трещины. Если сваривается металл, хорошо сопротивляющийся образованию горячих трещин, и применяются достаточно высококачественные сварочные материалы, то горячие трещины в образцах проб могут и не образовываться. В этом случае остается открытым вопрос о фактической сопротивляемости металла образо­ванию горячих трещин. Для интенсификации процесса образования деформаций с целью получения горячих тре­щин в лабораторных условиях образцы в процессе сварки могут дополнительно деформироваться испытательной ма­шиной, которая создает за определенный промежуток времени в дополнение к деформациям (е„—ej машинную деформацию е„. На рис. 7.3, в, г показаны примеры об­разцов, которые дополнительно нагружаются машиной во время сварки. На рнс. 7.3, в образцы непосредственно в процессе укладки валика закручивают в направлении ф.

а на рис. 7.3, г растягивают о заданной скоростью дефор­мации, при этом сопротивляемость швов образованию горячих трещин оценивают длиной трещины /тр.

Один нз простейших способов оценки качества металла по его сопротивляемости образованию горячих трещин состоит в том, что сваривают узел конструкции, наиболее подверженный образованию трещин, и определяют наличие

в нем трещин. При сравнении двух металлов или вариан­тов технологии таким методом невозможно судить, какой нз них лучше, если трещин нет вовсе. В этом один из ос­новных недостатков такого подхода. В ряде проб оценку ведут по длине образующейся в образце трещины. Чем длиннее трещина, тем хуже металл.

В качестве признака оценки используют также мини­мальный или максимальный размер образца, при котором появляются горячие трещины. Например, проваривают пластины разной ширины или с различной глубиной боко­вых прорезей

Известны приемы оценки условий сварки, когда одни н те же образцы сваривают с разной погонной энергией или с различной скоростью сварки. Определяют неблаго­приятные условия, и в дальнейшем назначают такие ре­жимы, которые наиболее удачны в отношении сопротив­ляемости образованию трещин.

Как видно на примере нескольких упомянутых проб (см. рис. 7.3), они могут быть предназначены либо для качественной, либо для количественной сравнительной оценки сопротивляемости образованию горячих трещин.

Более совершенными методами количественной оценки технологической прочности являются машинные методы. Один из них состоит в растя­жении с различными скоро­стями затвердевающего метал­ла шва с целью определения ——( Щ -+

критической скорости иир пе-

ремещення захватов машины, Рис - 7.4. Схема растяжения достаточной для возннкно - образца в процессе сварки вения горячих трещин. При

этом окр=Д,,р/А*, где Дир — перемещение в ТИХ, приво­дящее к образованию трещины; А/ — время пребывания металла в ТИХ. Существуют разные приемы реализации этого метода, например путем растяжения образца при сварке стыкового соединения или его изгиба (рис. 7.4). Другой более точной мерой сопротивляемости металла образованию горячих трещин является критический темп деформации а*р, определяемый приближенно как отно­шение критического значення перемещения кромок сва­риваемых элементов за время деформирования в ТИХ к значению ТИХ (5, 61.

Горячие трещины образуются не только в сталях, но и в сплавах на основе других металлов, в частности алю­миния. В табл. 7.1 приведены результаты испытаний свар­ных соединений из алюминиевых сплавов с целью опре­деления уровней оКр - Чем выше икр, тем выше сопротив­ляемость сплава образованию горячих трещин.

Для оценки принятых конструктивных форм по их способности сопротивляться образованию горячих трещин применяют так называемую оценку по эталонному ряду электродов. Используя сварочные материалы с заранее определенными для них и разными окр или ct’p, свари­вают одинаковые типовые узлы сварной конструкции и определяют тот уровень v или а*, при котором в сварном узле появляются горячие трещины. Найденные значения величии являются показателем уровня возникающих в сварных соединениях темпов собственных деформаций при сварке и признаком степени совершенства конструктивных решений и принятой технологии сварки. Если трещины появляются при сварке электродами с высоким уровнем v„p, то это означает, что в данном узле при сварке раз-

Исследованиями установлено, что холодные трещины имеют участок зарождения разрушения и участок распро­странения трещины. На участке зарождения, не превы­шающем размеры нескольких зерен, разрушение проис­ходит по границам зерен.

Можно отметить несколько особенностей появления холодных трещин.

1. Холодные трещины появляются иод действием по­стоянной или медленно меняющейся нагрузки при напря­жениях существенно ниже (в 2. . .3 раза) уровня кратко­временной прочности, найденной при обычном нагру­жении в испытательных машинах. Уровни напряжений, при которых появляются трещины, соизмеримы с остаточ­ными напряжениями при сварке. Поэтому сварочные напряжения могут вызвать образование холодных трещин. Для появления разрушения необходимо некоторое время.

2. Наименьшая сопротивляемость возникновению хо­лодных трещин обнаруживается непосредственно после сварки, а затем прочность постепенно растет и явления замедленного разрушения сильно ослабевают спустя не­которое время (2. . .25 суток).

3. Склонность к замедленному разрушению полностью подавляется при охлаждении металла до температур ниже —70 °С, но восстанавливается при нагреве до 4-20 °С; существенно ослабляется при нагреве до 100. ..150 °С и исчезает при нагреве до 200. . .300 °С.

Основными факторами, способствующими появлению холодных трещин, являются: 1) неблагоприятное струк­турное состояние металла, соответствующее высоким ско­ростям охлаждения стали, перегреву, старению; 2) при­сутствие растягивающих напряжений 1-го рода; 3) наличие водорода в металле сварного соединения.

Холодные трещины могут образовываться в шве, зоне термического влияния, если металл был нагрет до Т>Аеь, по линии сплавления; они могут располагаться как вдоль, так н поперек оси шва

.Методы оценки сопротивляемости металла образова­нию холодных трещин достаточно разнообразны. Для опенки свойств основного металла и его реакции на тер­мический цикл сварки применяют малые образцы, прошед­шие нагрев и охлаждение по циклу, близкому к свароч­ному. Испытания проводят на замедленное разрушение под постоянной нагрузкой, прикладываемой в течение 20. . .72 часов непосредственно после термического воз­действия. Образцы растягивают или изгибают. Миннмаль - ное разрушающее напряжение принимают за показатель сопротивляемости разрушению. Существуют разновидности такого испытания основного металла, отличающиеся мак­симальной температурой нагрева и последовательностью ступенчатого приложения нагрузки при различных тем­пературах остывания для имитации действия сварочных напряжений. В качестве примера на рис. 7.5 приведены кривые зависимости минимальной прочности при изгибе

от максимальной температуры нагрева для двух марок сталей. Наименьшая прочность соответствует температуре нагрева, при которой начинается оплавление границ зерен.

Для оценки сопротивляемости сварных соединений образованию холодных трещин применяют сварочные тех­нологические пробы и специальные машинные испытания. Существует много проб, отличающихся между собой по форме и размерам образцов, процедуре сварки и методам оценки стойкости. Например, крестовая проба (рис. 7.6) предусматривает сварку балки длиной 200 . .300 мм из металла толщиной s=10. . .30 мм и шириной листов fcas «150 мм, с катетом швов 8. .20 мм при различных на­чальных температурах образца —40. . .+250 °С в после­довательности выполнения швов, показанной на рисунке их номерами. Через 4 суток из образца вырезают три поперечные темплета шириной 25 мм, и после травления выявляют имеющиеся трещины. Оценка сварных соеди­

нений проводится по протяженности трещин, их количе­ству, месту расположения в тех или иных швах и началь­ной температуре изделия, при которой трещины появля­ются.

В пробе ЦНИИТС используют листы с толщиной, со­ответствующей применяемой в конструкции, и размером 1000X2000 мм для сварки стыкового шва длиной 2000 мм.

Листы перед сваркой собирают на поперечных, приварен­ных к листам с одной стороны через 400 мм ребрах высотой 250 мм. Сварку ведут при различных начальных темпера­турах. Через сутки после сварки образец простукивают массивным молотком для раскрытия образовавшихся хо­лодных трещин. Затем делают продольные и поперечные шлифы для выявления трещин. С помощью пробы опре­деляют условия сварки, при которых соединения являются стойкими против образования трещин.

Машинные методы испытаний предусматривают сварку и последующее нагружение образцов относительно не­больших размеров. Размеры их должны быть такими, чтобы при сварке воспроизводились термические, дефор­мационные и металлургические процессы, характерные для условий сварки элементов конструкций. Нагрузка создается испытательной машиной после сварки при тем­пературе 50 °С. Схема нагружения зависит от толщины металла и вида сварного соединения. Для толщины ме­талла 1. . .3 мм и стыкового соединения используется плоский круглый или восьмиугольный образец, заделан­
ный по контуру диаметром 100 мм и нагруженный одно­сторонней изгибающей нагрузкой. При толщине 3. . .6 мм используют образцы стыковых соединений (рис. 7.7, а); при толщине больше 6 мм — образцы тавровых соединений (рис. 7.7, б, s) и схему консольного изгиба. При консоль­ном изгибе стыкового образца плечо изгиба Lt распо­ложено перпендикулярно продольной оси шва, чтобы по всей длине шва были одинаковые изгибающие напряжения. Тавровые соединения нагружаются по схеме рис. 7.7, б

для испытания зон термического влияния по схеме рис. 7.7, в для испытания металла шва. Для локализации разрушения в вертикальной стенке пачку делают из малоуглеродистой стали, не склонной к образованию холодных трещин

За количественный показатель сопротивляемости образо­ванию холодных трещин принимают минимальное напря­жение от внешней нагрузки, вызывающее разрушение образцов или образование в них трещин. На рнс. 7.8 пред­ставлены результаты испытаний сварных соединений стали 30ХН2МФА. Линией 1 показана зависимость времени до разрушения образца от уровня напряжения, приложен­ного непосредственно после сварки. Приложение нагрузки

после 6 суток выдержки не дает снижения уровня разру­шающих напряжений (линия 2)

В табл. 7.2 и 7.3 приведены уровни разрушающих напряжений, которые в ряде случаев существенно ниже временного сопротивления, найденного в условиях крат­ковременного нагружения. Видно, что разрушающие на­пряжения тем выше, чем меньше содержание углерода в стали; растяжение или изгиб поперек шва более опасны, чем вдоль шва.

Холодные трещины образуются не только в легирован­ных сталях, но и в сплавах других металлов [21.