ТЕОРИЯ сварочных процессов

Способы повышения сопротивляемости сварных соединений легированных сталей образованию холодных трещин

Способы предотвращения холодных трещин в сварных соеди­нениях направлены на уменьшение или устранение отрицательно­го действия основных факторов (обусловливающих их образова­ние) путем: 1) регулирования структуры металла сварных соеди­нений; 2) снижения концентрации диффузионного водорода в шве;

3) уменьшения уровня сварочных напряжений. В соответствии с этим различают способы: металлургические, технологические и конструкционные.

Металлургические способы предотвращения холодных тре­щин направлены на регулирование структуры металла сварных соединений путем рационального выбора химического состава ос­новного металла и сварочных материалов. Желательно иметь в их составе минимальное содержание углерода и легирующих элемен­тов, повышающих прокаливаемость сталей, одновременно обеспе­чивая требуемые механические свойства шва и зоны термического влияния. Ориентиром для этого может служить соотношение

(12.78) для расчета Сэкв.

Технологические способы предотвращения холодных трещин предусматривают регулирование структуры металла сварных со­единений путем рационального выбора теплового режима сварки. Для этого используют индивидуально или совместно следующие методы:

1) повышение удельной погонной энергии q!(v8) до макси­мально допустимого значения (при условии качественного форми­рования шва с размерами, соответствующими стандартам);

2) предварительный (Гпп) и сопутствующий (Гсп) подогревы; послесварочный нагрев (Гпн); термическую обработку - высокий отпуск.

При многослойной сварке целенаправленно используют авто­подогрев и автоотпуск, т. е. влияние минимальной температуры, * до которой охлаждаются предыдущие валики при укладке после­дующих (она называется межпроходной температурой).

При однослойной сварке выбирают тепловой режим, обеспечи­вающий значения скорости охлаждения, при которых мартенсит в структуре полностью исключается или его содержание снижается до допустимого. При этом, учитывая, что свойства мартенсита в основном зависят от содержания углерода в стали, можно ориен­тироваться на соотношение допустимого количества мартенсита

Мдоп в зоне термического влияния и содержания углерода, приве­денное в виде графиков на рис. 12.73.

На практике, особенно при затруднениях в проведении метал­лографического анализа структуры зоны термического влияния, структурное состояние оценивают значением твердости. Как пра­вило, в технических условиях на сварку изделий указывают допус­
тимое значение твердости. В тех­нических условиях на различные изделия это значение указывают в диапазоне 200...350 HV. При вы­полнении расчетов общего харак­тера часто принимают значение 300 HV. Выбор допустимой твер­дости (наряду с целью предотвра­щения холодных трещин), часто выполняют и для получения тре­буемых механических свойств ме­талла сварных соединений.

Процедура выбора теплового режима сварки предусматривает:

1) наличие диаграммы АРА для стали, из которой изготовлено изделие;

2) экспериментальное или расчетное определение парамет­ров термического цикла сварки

(г^б/5 или *8/5) в околошовной зоне

(Тт^ = 1350... 1450 °С) соединения при сварке данного изделия.

Диаграмма АРА в координатах Т - 0^/5 (или /8/5), на которой зафиксированы критические скорости охлаждения, позволяет оп­ределить состав структуры для задания термического цикла. Ре­шение обратной задачи - определение допустимой скорости охла­ждения (г^доп) по принятому допустимому содержанию мартен­сита в структуре околошовной зоны позволяет откорректировать

тепловой режим сварки, если > ^доп - Это можно выполнить

двумя способами: увеличением удельной погонной энергии сварки q!(vb) или введением предварительного либо сопутствующего подогрева.

Часто наиболее рациональным является сочетание этих двух способов. При этом следует учитывать неравнозначное влияние ql(yb) и подогрева на параметры сварочного термического цикла в различных диапазонах температур. Увеличение q!{vb) приводит к увеличению времени пребывания при температурах выше 1000 °С (* >1 ооо)^ т. е. к росту аустенитного зерна. Подогрев более эффек­тивно понижает скорость охлаждения г^б/5 и время пребывания

при температурах выше 200 °С, что соответственно уменьшает содержание мартенсита в структуре и ускоряет десорбцию водо­рода из сварного соединения. Следует отметить, что предвари­тельный подогрев до температуры Гпп при сварке тонких листов, особенно протяженными швами, менее эффективен, чем сопутст­вующий подогрев (до Тсп), поскольку быстро снижается темпера­тура подогрева вследствие интенсивной поверхностной теплоот­дачи. При сварке толстых листов и массивных заготовок эти виды подогрева практически равноценны. Однако и в этом случае на

практике Гпп назначают на 20...30 °С выше, чем Гсп.

Согласно европейскому стандарту EN 1011-2:2001 и докумен­ту «Рекомендации по сварке металлических материалов. Дуговая сварка ферритных (углеродистых и низколегированных) сталей» рекомендуется определять температуру подогрева Гр, °С, с целью предотвращения холодных трещин по соотношению

ґ d'

Гр = 697-СЕТ+ 160-th

v35y

+ (53 СЕТ-32)0-328, (12.80)

„ Mn + Mo Cr + Cu Ni

где СЕТ — С +------------ +---------- + — - специальный эквивалент

10 20 40

углерода стали, % (диапазон значений СЕТ = 0,2...0,5 %); d - тол­щина стали, равная 10...90 мм; HD - исходная концентрация диф­фузионного водорода в металле шва, определенная эксперимен­тально методом МИС, в пределах 1...20 см3/100 г Ме Q - ПОГОН­ЯХ - х

є — є

ная энергия сварки в пределах 0,5...4 кДж/мм; th(x) =

X. - х

е +е

гиперболический тангенс (х = d!35).

Для предотвращения холодных трещин в послесварочный пе­риод проводят послесварочный нагрев (200...300 °С) или высокий отпуск (600...700 °С) сварных узлов непосредственно после свар­ки. Для предотвращения холодных трещин в ряде случаев (изделия из мартенситных сталей небольших толщин) достаточен местный кратковременный отпуск с помощью индуктора ТВЧ или других концентрированных источников теплоты с нагревом до 700 °С в течение 2...3 мин.

Рис. 12.74. Схема сварочного термического цикла много­слойной сварки в зоне терми­ческого влияния:

1 - закалочный цикл; 2 - автопо­догрев; 3 - цикл перекристалли­зации и измельчения аустенитно­го зерна (возможна повторная закалка); 4 - циклы отпуска; 5 - циклы повторного нагрева (десорбция диффузионного водо­рода)

t, с

Особым случаем является многослойная сварка (рис. 12.74), при которой сварочный термический цикл и структура зоны термическо­го влияния формируются под действием следующих факторов:

- автоподогрева, т. е. минимальной температуры остывания предыдущего сварного валика, снижающей действительные скоро­сти охлаждения при укладке последующих валиков (позиция 2);

- перекристаллизации и измельчения аустенитного зерна при втором и последующих нагревах зоны термического влияния

до максимальных температур в диапазоне от А’с3 до 1000 °С (по­зиция 5);

- автоотпуска структуры зоны термического влияния при по­следующих нагревах до максимальных температур в диапазоне от 400 °С до A fc (позиция 4)

- повторного нагрева при температурах 200...400 °С, способ­ствующего отдыху закалочных составляющих структуры и выходу водорода из сварного соединения (позиция 5).

В случае циклов повторного нагрева «структурный» подход при выборе режима сварки применим только к первому (возмож­но, и ко второму) циклам. Однако в процессе наложения после­дующих валиков структура будет изменяться в зависимости от температуры и времени действия отпускных циклов. В результате выбранный тепловой режим сварки может оказаться неоправданно завышенным по своим параметрам.

Определение параметров теплового режима при многослойной сварке при необходимости учета влияния большого числа влияю­щих факторов возможно только с использованием компьютерных
технологий. Для стыковых многослойных соединений расчет можно выполнить с помощью уже рассмотренного инженерного программного комплекса «Свариваемость легированных сталей» (см. рис. 12.66). Для сложных по геометрии сварных соединений расчет теплового режима сварки необходимо выполнять числен­ным методом конечных элементов с использованием компьютер­ных средств.

Состав металла шва оказывает существенное влияние на со­противляемость околошовной зоны, однако механизм влияния шва на околошовную зону еще недостаточно изучен. Эффективно при­менение сварочных материалов, имеющих более низкие темпера­туры кристаллизации, превращения аустенита, чем у основного металла, а также имеющих повышенную растворимость водорода и пониженный коэффициент его диффузии. Этими эффектами от­части можно объяснить значительное повышение сопротивляемо­сти околошовной зоны трещинам при применении аустенитных сварочных материалов вместо феррито-перлитных.

Способы снижения концентрации водорода в металле сварных швов главным образом основаны на устранении источников, снабжающих атмосферу дуги водородом. Это прокалка электродов с фтористо-кальциевыми покрытиями при 350...450 °С, низко­кремнистых флюсов при 600 °С и фтористо-кальциевых при 900 °С, в течение 3...5 ч; осушение защитных газов силикагелем, чтобы их точка росы поддерживалась на уровне не выше -35 °С, очистка свариваемых кромок и сварочной проволоки от ржавчины, масла и других загрязнений.

В ряде случаев предусматривают связывание водорода в атмо­сфере дуги в не растворимые в жидком железе соединения. В этом отношении эффективны основные покрытия электродов и флюсы с

максимально возможным содержанием CaF2 а также содержащие прокатную окалину FeO.

Конструкционные способы предотвращения холодных трещин направлены на снижение уровня сварочных напряжений. Способы регулирования сварочных напряжений рассмотрены в разд. 12.9 и в гл. 11.