ТЕОРИЯ сварочных процессов

Холодные трещины при сварке

Холодные трещины объединяют категорию трещин в сварном соединении, формальными признаками которых являются: воз­можность их визуального наблюдения практически сразу после охлаждения соединения; их блестящий кристаллический излом без следов высокотемпературного окисления. Холодные трещины - локальные хрупкие разрушения материала сварного соединения, возникающие под действием собственных сварочных напряжений. Размеры холодных трещин соизмеримы с размерами зон сварного соединения. Локальность разрушения объясняется частичным сня­тием напряжений при образовании трещин, а также ограниченно­стью зон сварного соединения, в которых возможно развитие тре­щин без дополнительного притока энергии от внешних нагрузок.

Характерными особенностями большинства случаев возник­новения холодных трещин являются следующие:

1) наличие инкубационного периода до момента образования очага трещины;

2) образование трещин происходит при значениях напряжений, составляющих менее 0,9 кратковременной прочности материалов в состоянии после сварки. Эти особенности позволяют отнести хо­
лодные трещины к замедленно­му разрушению свежезакален­ной стали.

Рис. 12.59. Виды холодных тре­щин в сварных соединениях угле­родистых и легированных сталей: 1 - «откол»; 2 - «частокол»; 3 - «от­рыв»; 4 - продольные холодные тре­щины в шве

К образованию холодных трещин при сварке склонны уг­леродистые и легированные ста­ли, некоторые титановые и алю­миниевые сплавы. При сварке углеродистых и легированных сталей холодные трещины могут образоваться, если стали претер­певают частичную или полную закалку. Холодные трещины возникают в процессе охлажде­ния после сварки ниже темпера­туры 150 °С или в течение по­следующих нескольких суток. Они могут образовываться во всех зонах сварного соединения и располагаться параллельно или пер­пендикулярно по отношению к оси шва. Место образования и на­правление трещин зависят от состава основного металла и металла шва, соотношения компонент сварочных напряжений и некоторых других обстоятельств. В соответствии с геометрическими призна­ками и характером излома холодные трещины получили определен­ные названия (рис. 12.59):

«откол» - продольные трещины в зоне термического влияния; «отрыв» - продольные трещины в зоне сплавления со стороны шва (аустенитного);

«частокол» - поперечные трещины в зоне термического влия - * ния.

ОШЗ

Рис. 12.60. Межкристаллитный харак­тер разрушения на участке очага хо­лодной трещины (А) и смешанной на участке ее развития (В):

ЛС - линия сплавления; ОШЗ - околошов - ная зона

Наиболее часто возника­ют холодные трещины вида «откол». Образование холод­ных трещин начинается с появления очага разрушения, как правило, на границах бывших аустенитных зерен на околошовном участке зо­ны термического влияния, примыкающих к линии сплав­ления (рис. 12.60). Протяжен­ность очагов трещин состав­ляет несколько диаметров

бывших аустенитных зерен. При этом разрушение не сопро­вождается заметной пластической деформацией и наблюдается как практически хрупкое. Это позволяет отнести холодные трещины к межкристаллитному (межзеренному) хрупкому разрушению. Даль­нейшее развитие очага в микро - и макротрещину может носить смешанный или внутризеренный характер.

Основными факторами, обусловливающими образование хо­лодных трещин в сварном соединении из углеродистых и легиро­ванных сталей, являются:

1) структурное состояние металла сварного соединения, харак­теризуемое наличием составляющих мартенситного и бейнитного типа (5д, %) и размером бывшего аустенитного зерна (d3, мкм), свойства указанных структурных составляющих зависят от химиче­ского состава и в первую очередь от содержания углерода (С, %);

2) концентрация диффузионного водорода в зоне зарождения

очага трещины (Нд, см /100 г металла);

3) растягивающие сварочные напряжения I рода (асв, МПа).

Критическое сочетание этих факторов приводит к образованию

холодных трещин.

Роль структуры в зарождение очага замедленного разрушения свежезакаленной стали связывают с микропластической деформа­цией (МПД) в приграничных зонах зерен. Наличие в структуре такой стали незакрепленных, способных к скольжению дислока­ций при действии сравнительно невысоких напряжений обуслов­ливает МПД. Особенно высока плотность дислокаций в свежеза­каленном мартенсите. Значения МПД лежит в диапазоне от 10 до

-4

10 . Проявляется МПД при напряжениях выше предела неуп-

ругости или микроскопического предела текучести од (рис. 12.61). Процесс МПД - термически активируемый, т. е. его скорость зави­сит от температуры и приложенных напряжений. Сопротивляе­мость замедленному разрушению зависит от времени действия нагрузки и стремится к некоторому минимальному значению op min (рис. 12.62), которое принимают за номинальное значение «замед­ленной прочности». После отдыха способность закаленной стали к МПД исчезает. Конечные высокие значения твердости и предела текучести закаленной стали - результат старения, при котором происходит закрепление дислокаций атомами углерода. Особенно­сти развития МПД достаточно хорошо объясняют приведенные выше закономерности замедленного разрушения.

Рис. 12.61. Характер деформирова­ния свежезакаленной стали (штри­ховая линия - непосредственно после закалки, сплошная - после закалки и отдыха; аА - микроскопи­ческий предел текучести)

Рис. 12.62. Зависимость сопро­тивляемости замедленному раз­рушению ор от времени t дейст­вия нагрузки

Механизм межкристаллического разрушения при образовании очагов замедленного разрушения может быть объяснен тем, что максимальные плотность дислокаций и интенсивность МПД при­ходятся на приграничные зоны зерен. Это является результатом того, что мартенситное превращение начинается в центральных частях зерен при температурах, соответствующих верхней части температурного интервала превращения, а заканчивается в при­граничных зонах зерен при температурах, соответствующих ниж­ней части этого интервала. Кроме того, при образовании пластин­чатого мартенсита его иглы при выходе на границы зерен вызыва­ют в зонах, примыкающих к ним, появление высоких плотности дислокаций и уровня микрона­пряжений. При длительном на­гружении по границам зерен раз­вивается локальная МПД, в ре­зультате которой реализуется межзеренное разрушение по схе­ме Зинера - Стро, предполагаю­щей относительное проскальзы­вание и поворот зерен по грани­цам (рис. 12.63). Рис. 12.63. Схема Зинера - Стро

Фазовый состав структуры образования трещин при про - сварного шва и околошовной зо - скальзывании по границам зерен
ны определяют с помощью диаграммы АРА по химическому со­ставу стали и параметру сварочного термического цикла о>б/5-

Насыщение сварного соединения водородом при сварке.

Основным источником водорода в сварном соединении является водород в атмосфере дуги, который растворяется в расплавленном металле сварочной ванны. Различают следующие формы сущест­вования водорода в металле в зависимости от его состояния, по­ложения в металле:

атомарный (или ионизированный) водород - растворенный в кристаллической решетке до предела растворимости (равновес­ный), растворенный сверх предела растворимости (неравновес­ный), связанный с дефектами решетки (скопившийся в так назы­ваемых субмикроскопических ловушках);

молекулярный водород - скопившийся в микро - и макропорах, называемых коллекторами.

В зависимости от подвижности в металле различают:

диффузионный (<диффузионно-подвижный) водород Нд - спо­собный к диффузионному перемещению в решетке при появлении градиентов концентраций, температур, напряжений, растворимо­сти (в случае разнородных металлов). К этой форме относится атомарный водород, растворенный в решетке;

закрепленный водород - не способный к диффузии в металле при данных условиях. К этой форме может быть относен атомар­ный водород в ловушках и молекулярный в коллекторах (его так­же называют связанным, остаточным, металлургическим).

Все формы водорода находятся в термодинамическом равнове­сии, зависящем от температуры. При повышении температуры свыше определенного уровня начинается заметный переход одних форм водорода в другие: молекулярного - в атомарный раствори­мый, неравновесного - в равновесный, связанного в ловушках - в растворимый.

Поскольку всегда на поверхности ограниченного тела сущест­вует градиент концентрации водорода, происходит непрерывный

выход (десорбция) Нд в атмосферу. Через определенный промежу­ток времени практически весь водород должен десорбироваться из металла, поскольку происходит переход от одной формы сущест­вования водорода к другой. При нормальной температуре относи­тельно быстро десорбируется из металла основная часть диффузи­онного водорода Нд, причем переход закрепленного водорода в диффузионный Нд развивается чрезвычайно медленно, т. е. закре­
пленный водород остается в металле практически неограниченное время. Сумма концентраций закрепленного водорода и неуспевше­го выделиться к данному моменту диффузионного водорода Нд составляет концентрацию остаточного водорода Н0.

Распределение Нд по объему сварного соединения и его концен­трацию в любой заданной точке определяют экспериментально­расчетным способом. Экспериментальная часть способа состоит в определении исходной концентрации диффузионного водорода в

металле шва Ншо, в установлении зависимости коэффициента диффузии водорода D\ от температуры для шва, зоны термического влияния и основного металла, а также в определении параметров перехода остаточного (металлургического) водорода Н0 в основном

металле в Нд и обратно при сварочном нагреве и охлаждении. Рас­четная часть способа заключается в решении тепловой задачи (для заданных типа сварного соединения и параметров режима сварки) и диффузионной задачи. Последняя для сварки однородных материа­лов представляет численное решение дифференциального уравне­ния второго закона Фика, описывающего неизотермическую диф­фузию водорода с учетом термодиффузионных потоков в двумер­ной системе координат:

д£=8_ dt ду

д_

ду

f д(- дТ

+

п

Art—

(12.74)

8z{^ дг ) &(, &

где С - концентрация Нд, см3/100 г; t - время, с; £>н - эффективный

2

коэффициент диффузии водорода, см /с, зависящий от температуры

2

Т, К; х — термоградиентный коэффициент, см /(100 г - град); у, z - координаты расчетной точки, см.

Одно из главных начальных условий для решения уравнения

(12.74) - учет достоверного значения Ншо. Для определения Ншо в сварочной практике применяют ряд методов: «карандашную» (спиртовую или глицериновую) пробу, вакуумные методы (ЛПИ и МИС) и хроматографический метод ИЭС. Наиболее простая «ка­рандашная» проба заключается в наплавке в медную охлаждаемую водой изложницу (рис. 12.64) образца размером 8 х 12x70 мм, не-

Рис. 12.64. «Карандашная» проба для определения исходной концентра­ции диффузионного водорода в металле шва Ншо (а) и кинетика выделе­ния Нд из образца (б):

1 - пробка; 2 - спирт; 3 - выделившийся водород; 4 - эвдиометр; 5 - образец

немедленной закалке его в воде и помещении его в специальную пробирку (эвдиометр) со спиртом (или глицерином, подогретым до 40...70 °С). Весь выделившийся в эвдиометре Нд принимают за

Ншо. Полное время выделения Нд составляет 5 сут. Наиболее точ­ный хроматографический метод предусматривает наплавку валика на поверхность пластинчатого образца 8 х 7,5 х 25 мм, его немед­ленную закалку и помещение в герметичную камеру. По мере вы­деления водорода через камеру периодически пропускают газ - носитель (аргон), смесь которого с водородом анализируют хрома­тографом. Камеру устанавливают в печь с температурой 150 °С, при которой существенно ускоряется ВЫХОД Нд, но еще не проис­ходит перехода остаточного водорода Н0 в Нд. В результате подо­грева образца время испытания сокращается с 5 сут (120 ч) до 2 ч. Значения Ншо, полученные хроматографическим методом, при­мерно в 2 раза превышают значения Ншо, полученные «карандаш­ной» спиртовой пробой. Расчет диффузионного перераспределе­ния Нд выполняют относительно принятого Ншо, определенного тем или иным методом.

Решение тепловой и диффузионной задач выполняют числен­ным методом с помощью компьютерных программ. Пример расче­
та распределения Нд для стыкового многослойного соединения с Х-образной разделкой приведены на рис. 12.65.

Нд, см3/100 Г

Рис. 12.65. Распределение диффузионного водорода Нд: а - по различным сечениям многослойного стыкового Х-образного соединения; б - в различные моменты времени после сварки; (1-6 номера слоев; 1-І и II—II - сечения соответственно по оси шва и околошовной зоне); в - кинетика изменения Нд в точках А у В, С и D с течением времени

Основные закономерности насыщения сварных соединений водородом следующие:

1) насыщение различных зон сварного соединения водородом можно охарактеризовать двумя параметрами - значением макси­мальной концентрации Ндтах и временем достижения этой или заданной концентрации /тах;

2) для заданных составов шва и основного металла, толщины металла и типа разделки параметры вида Нд тах в основном опре­деляются значениями Ншо, а параметры вида tmах - тепловым ре­жимом сварки. Так,

И?™ =(0,3-0,6)Нш0, (12.75)

a изменяется в пределах от нуля до нескольких десятков

часов после сварки (ОШЗ - околошовная зона).

Действие диффузионного водорода при образовании холодных трещин более всего соответствует одному из механизмов обрати­мой водородной хрупкости. Его особенность заключается в том, что в условиях медленного нагружения источники водородной хрупкости образуются вследствие диффузионного перераспре­деления водорода и исчезают через некоторое время после снятия нагрузки. При этом важная роль отводится взаимодействию водо­рода с дислокациями и облегченному перемещению их комплек­сов. В металле сварных соединений Нд концентрируется на грани­цах крупных бывших аустенитных зерен, которые характери­зуются повышенной плотностью дефектов кристаллической решетки.

Влияние водородного охрупчивания на процесс разрушения описывают различными механизмами: адсорбционным (действие водорода как поверхностно-активного элемента), молекулярного давления (в результате перехода атомарного водорода в микропо - ры и его молизации) и др.

Сварочные напряжения могут быть определены эксперимен­тальным или расчетным путем. Экспериментальный метод позволя­ет оценить средние значения напряжений в шве и зоне термического влияния на сравнительно большой базе. Однако найти распределе­ние напряжений в околошовной зоне, где их градиенты весьма ве­лики, экспериментальным методом затруднительно. Методы расче­та сварочных напряжений рассмотрены в гл. 11.

Для случая сварки жестко заделанных по концам элементов поперечные сварочные напряжения, вызванные усадкой шва, мо­гут быть ориентировочно определены с использованием схемы на рис. 12.50.

Методы оценки сопротивляемости металла сварных соеди­нений образованию холодных трещин. Методы оценки сопро­
тивляемости образованию холодных трещин подразделяют на рас­четные и экспериментальные.

Расчетные методы позволяют оценивать склонность к образо­ванию холодных трещин по химическому составу стали без испы­тания сварных соединений. Широкое применение имеют парамет­рические соотношения, полученные статистической обработкой экспериментальных данных. Они связывают выходные параметры (показатель склонности к трещинам) с входными параметрами (химическим составом, режимом сварки и др.) без анализа физиче­ских процессов в металлах при сварке, обусловливающих образо­вание холодных трещин. Поэтому их применение ограничено об­ластью, в пределах которой изменяли входные параметры при проведении экспериментов. При этом часто не учитывается все многообразие факторов, влияющих на образование холодных тре­щин, в том числе и существенно значимых.

Рассмотрим параметрические уравнения, которые используют­ся в настоящее время применительно к углеродистым и низколе­гированным сталям. Различными исследователями предложено несколько соотношений для расчета эквивалента углерода (в про­центах):

1) Британской исследовательской академией сварки (BWRA), 1964 г.-

_ _ 1V1I1 _1 - Г JV1VJ T V 1>1 . . - _

СЭКв “С + тт"1------------- —------- 1-7—; (12.76)

Mn Cr + Mo + V Ni

1 1------------------------

20 10 15

2) Международным институтом сварки (МИС), 1967 г. (Евро­пейский стандарт. Рекомендации по сварке металлических мате­риалов (EN 1011-2:2001)) -

Si Mn Cr + Mo + V Ni + Cu /п-ТТЛ

С, КВ=С +— +------- +---------------- +---------- ; (12.77)

экв 24 6 5 15

3) по ГОСТ 27772-88:

0 Si Мп Сг Мо Ni Си V Р /10„0Ч

С1КВ=С + — + + — +------------ + — + — + —+ (12.78)

экв 24 6 5 4 40 13 14 2

где символы элементов С, Si,..., Р означают их содержание, %.

Принято для сталей оценивать степень потенциальной возмож­ности образования холодных трещин в зависимости от значений Сэкв (по ГОСТ 27772-88):

1- я группа сталей (Сэкв < 0,35 %) - сталь не склонна к образо­ванию холодных трещин при сварке;

2- я группа сталей (Сэкв = 0,35...0,6 %) - при определенных конструктивно-технологических условиях возможно образование холодных трещин;

3- я группа сталей (СЭКв > %) - высокая вероятность образо­

вания холодных трещин; сварка выполняется со специальными технологическими мероприятиями.

Эквивалент углерода Сэкв является обобщенным параметром состава стали, характеризующим ее прокаливаемость. Если значе­ние Сэкв > 0,35 %, то при сварке становится возможным образова­ние закалочных структур в металле сварного соединения, что при условии насыщения металла водородом и высоких сварочных на­пряжениях может привести к образованию холодных трещин. Зна­чение Сэкв вне связи с этими условиями не может служить показа­телем сопротивляемости сварного соединения образованию хо­лодных трещин.

Расчет стойкости против образования холодных трещин для сварных соединений углеродистых и легированных сталей может быть выполнен с использованием инженерного программного комплекса (ИПК) «Свариваемость легированных сталей», разрабо­танного в МГТУ им. Н. Э. Баумана. С помощью этого комплекса выполняется анализ физических процессов в металлах при сварке, обусловливающих образование трещин. В этом случае использу­ются концептуальные физические модели процесса разрушения при образовании трещин, аналитические зависимости законов металлофизики, регрессионные уравнения, описывающие характе­ристики и константы материалов на основе статистической обра­ботки опытных данных. Такие расчетные методы имеют более универсальный характер, чем параметрические уравнения, и по­зволяют учитывать достаточно широкий ряд металлургических, технологических и геометрических факторов. Выполнение расче­тов производится с помощью компьютерных средств.

Алгоритм инженерного программного комплекса представлен на рис. 12.66. Сопоставлением действительных сварочных напряже­ний и критических напряжений, при которых происходит образова­ние холодных трещин, оценивается стойкостью сварных соеди­нений против трещин (осв < окр). Если условие стойкости против трещин не обеспечивается, то определяют значение конструк­тивно-технологических параметров сварки, которые обеспечивают отсутствие холодных трещин. Регулируемыми параметрами явля­ются - геометрия сварного соединения, «жесткость» закрепления сварных элементов, способ и режимы сварки, состав сварочных

Рис. 12.66. Алгоритм работы инженерного программного комплекса «Свариваемость легированных сталей» МГТУ им. Н. Э. Баумана:

Тмах, *>1000, *8/5> ^6/5 - соответственно максимальная температура нагрева, время пребывания при температурах выше 1000 °С, время охлаждения от 800 до 500 °С, скорость охлаждения в диапазоне 600...500 °С в анализируемой точке сварного соединения; 5Д, d3 - действительная структура, средний условный диаметр аусте­нитного зерна; Нтах, г(Н) - соответственно максимальная концентрация диффу­зионного водорода и время достижения Нтах; а^, 5^, Н, ф, Вкр - критические зна­чения факторов трещинообразования (разрушающее напряжение, структура, водород и жесткость сварного соединения); асв - действительные сварочные напряжения; Нш0 - исходная концентрация диффузионного водорода в металле

сварного шва

Здесь Т - температура равновесной (термической) плазмы; АееЕ - энергия Дє, получаемая электроном от поля на участке пробега Ае, а (3/2)кТе - энергия є теплового движения электрона. Для термиче­ского равновесия необходимо, чтобы Дє/є и относительная раз­ность температур АТ/Т были значительно меньше единицы. Учи­тывая формулу (2.18), получаем

^ = - e£V.= 2-f. g, (2.49)

Є (3/2)И; з а„ р

т. е. Дє определяется в основном отношением Е/р. Из формул (2.48) и (2.49) следует, что термическое равновесие легче достига­ется при малой напряженности поля Е, повышенном давлении р (малый пробег Ае) и высокой температуре газа дуги Гд.

Пример 2.2. Определить, существует ли термическое равновесие в стол­бе дуги при сварке вольфрамовым электродом.

5 —20 2

Решение. Приняв для W-дуги в аргоне р = 10 Па, Qea= 2,5*10 м, Е = = 1-Ю3 В/м, Аеа = 3-Ю-6 м, тАт/me = 105, кТ~ 2 эВ, т. е. около 23 ООО К, получим:

Дє 2 1,6-10"19 103

—- ~ 0,05 (около 5 %);

г 3 2,5*10-20 105 AT 105 (3-10'6-М03)2 , .

— =------------------------ =-^- = 10 1 /4 = 0,025, т. е. -2,5 %.

Т 4 [(3/2) • 2]

2

Отсюда делаем вывод: термическое равновесие в столбе дуги существует,

Дє і АТ 1

так как — «с 1 и «с 1.

є Т

Пример 2.3. Определить, существует ли термическое равновесие в плаз­ме вакуумной дуги при давлении р = 0,1 Па в парах железа:

Qll =50 10"20 м2 и Е = 50 В/м.

Решение. Расчет по формуле (2.49) дает

Ае 2 1,6-Ю-19 50

И,

є 3 50 10 0,1

т. е. энергия, получаемая электронами от поля, здесь значительно больше, чем энергия их теплового движения, что должно привести к росту элек­тронной температуры. Действительно, принимая mjme = 104 и учитывая выражение (2.18) для Ае при Г-5800 К и кТ = 1,38 * 10-2 -5800 = = 0,8 • 10-19 Дж, получаем:

10 -50-10'

т. е. пробег мал по сравнению с длиной дуги;

при р = ОД Па пробег Ае увеличивается (при Т= const) в 106 раз и со­ставляет 1,6 м, т. е. пробег больше длины дуги.

Приняв условно Те ~ 0,8 • 105 К, кТ~ 7 эВ, получим по формуле (2.51):

АГ 104 (1.61-5Q)2 и 104

т 4 [(3/2)-7f

Таким образом, в вакуумной дуге термического равновесия нет и элек­

тронная температура тяжелых частиц Тл.

Те может значительно превышать температуру

Г-10 3, К

Рис. 2.16. Зависимость электрон­ной температуры Те и температу­ры газа Тд от тока / (концентра­ции электронов пе) в плазме дуги при атмосферном давлении в аргоне с примесью водорода

В дугах низкого давления, а также в приэлектродных областях дуги, где напряженность поля Е велика и, следовательно, отноше­ние Е! р велико, энергия Дє, по­лучаемая электронами от поля, растет и термическое равновесие нарушается.

Плазма воздуха и других мо­лекулярных газов, а также паров металлов при атмосферном дав­лении и токах более 10 А являет­ся равновесной. Это обусловлено интенсивным обменом энергией между электронами и молекула­ми через возбуждение колебаний и вращений, а в парах металла - большими сечениями упругого рассеяния электронов. В инерт­ных газах разность температур Те-ТА больше вследствие отно­сительной малости сечений рассеяния электронов атомами (см. рис. 2.9). Так, в аргоне при атмосферном давлении (рис. 2.16) электрон-

ная и газовая температуры совпадают (Те' />10 А, когда пе > 3-1015 3

Гд ~ 8000 К) только при см ". Еще хуже устанавливается равно­весие в гелии, где только при / ~ 200 А, когда пе ~ 5 • 101 см 3, тем­пературы выравниваются: Те *

материалов, исходная концентрация диффузионного водорода в сварном шве, температура подогрева и режим послесварочного нагрева.

Экспериментальная оценка склонности к образованию хо­лодных трещин выполняется с помощью сварочных технологиче­ских проб или испытательных машин.

Технологические пробы по характеру использования получае­мых результатов можно разделить на пробы лабораторного и отрас­левого назначения. Конструкция и технология сварки проб модели­рует высокий уровень факторов, обусловливающих образование холодных трещин, воспроизводя их применительно к жестким свар­ным конструкциям. Технологические пробы лабораторного назна­чения дают сравнительную оценку материалам или технологиче­ским вариантам безотносительно к определенному виду сварных конструкций. Они служат для сортировки материалов и исследова­ния влияния различных факторов на склонность к образованию трещин. Пробы отраслевого назначения - натурные образцы свар­ных конструкций соответствующей отрасли (судостроение, броне­техника и т. п.), они позволяют получать прикладную оценку мате­риалов в условиях максимально приближенных к конструктивным, технологическим и климатическим условиям изготовления сварных конструкций определенного вида. С их помощью выбирают мате­риалы и технологию, обеспечивающие стойкость сварных со­единений против холодных трещин.

Сварочная технологическая проба переменной жесткости (ГОСТ 26388-84) представляет собой набор трех плоских прямо­угольных составных образцов толщиной 12...40 мм с различной шириной свариваемых элементов (100, 150 и 300 мм), жесткозак - репленных по концам (рис. 12.67). Для закрепления образцов к ним предварительно приваривают специальные концевики. Перед сваркой образцы закрепляют в зажимном приспособлении, пред­ставляющем собой массивную плиту с прорезями, в которые по­мещают концевики и закрепляют их прижимными болтами. Свар­ку пробы выполняют однопроходным швом (одновременно всех трех образцов). После сварки пробу выдерживают в закрепленном состоянии в течение 20 ч. После освобождения пробы из приспо­собления во всех образцах выявляют холодные трещины различ­ными видами контроля, в том числе путем травления поверхности и корня шва и зоны термического влияния 5 %-ным водным рас­твором азотной кислоты. После просушки образцы разрушают. Протравленные части излома, выявленные визуальным осмотром с помощью лупы с трехкратным увеличением, принимают за обра­зовавшиеся при испытании холодные трещины.

Рис. 12.67. Сварочная технологическая проба переменной жесткости на образование холодных трещин

За количественный показатель склонности к образованию хо­лодных трещин принимают максимальную ширину свариваемых элементов, при которой образовались трещины. Показатель уста­навливают по двум одинаковым результатам испытаний трех проб.

За сопротивляемость образованию холодных трещин (арлпіп) можно принять напряжения (рис. 12.68), при которых трещины

а

Рис. 12.68. Схема расчета усадочных поперечных сварочных напряжений ov в технологической пробе

образуются в процессе испытания проб. Расчет поперечных сва­рочных напряжений по сечениям шва и околошовной зоны в пробе можно выполнить по приведенному ниже выражению, описываю­щему их распределение по оси Oz:

Щ (1 + 4ez/82) 5Ш

1

(12.79)

X -------

/

/

где Е - модуль упругости, МПа; В і - длина свариваемых элемен­тов от центра шва до заделки, см; е - эксцентриситет (расстояние от центра сечения шва до середины свариваемого листа по верти­кальной оси Oz), см; z - расстояние от расчетной точки до середи­ны листа по вертикальной оси Oz, см (вверх от середины листа - значения z и е меньше нуля, вниз - больше нуля); 8 - толщина лис­та, см; 8Ш - высота шва, см; q - эффективная мощность источника теплоты, Дж/с; v - скорость сварки, см/с; а - термический коэф­фициент, 1/°С; ср - объемная теплоемкость, Дж/(см^°С); и Е/2 ~ фазовая деформация шва и зоны термического влияния, %

(см. рис. 12.43, б); 6Ш и Ьзтв - ширина шва и зоны термического влияния, см; А, т и п - экспериментальные коэффициенты (приня­ты соответственно равными 1,0; 0,086; 0,37). Стандартный вариант испытаний предусматривает однопроходную сварку с притуплени­ем кромок Р = 8/2, и по этому варианту следует определять сопро­тивляемость образованию холодных трещин (cip. min)-

Сварочная технологическая проба «Тэккен» (ГОСТ 26388-84) представляет собой плоский прямоугольный образец толщиной

12.. .40 мм с продольной прорезью в центре, оформленной в виде У-образной разделки (рис. 12.69). Образец сваривают в свободном состоянии и выдерживают после сварки в течение 20 ч. Для при­менения пробы, как правило, используют только ручную дуговую сварку электродами с покрытием и дуговую сварку в защитных газах. Трещины образуются в корневой части сварного соединения в результате действия высоких усадочных напряжений. Обяза­тельное условие работы пробы - наличие непровара в корне шва, который служит концентратором напряжений. Наличие трещин

ІоЛ

М°/

2...3

2...3

VWY;:

И

1J

77/1Ш

60

О

оо

1

I j

■ішш

бо Ь

в-в

А-А

Рис. 12.69. Сварочная технологическая проба «Тэккен» (при толщине 6 = 12; 16; 20 мм и высоте сварочного валика h = 6 мм; при б = 30; 40 мм

и h = 8 мм)

выявляют различными методами контроля, в том числе протрав­ливанием раствором кислоты с последующим изломом образца.

При образовании трещин в качестве дополнительного срав­нительно-количественного показателя склонности к образованию холодных трещин принимают процентное отношение суммарной длины трещины к длине шва или относительной площади трещи­ны к площади продольного сечения шва. За количественный по­казатель стойкости против трещин также принимают температуру подогрева, при которой трещины уже не образуются.

Методы машинных испытаний предусматривают замедленное разрушение сварных образцов. При испытаниях металл зоны тер­мического влияния или металл шва доводится до образования хо­лодных трещин под действием напряжений от внешней длительно действующей постоянной нагрузки. Серию образцов при испыта­ниях нагружают различными постоянными нагрузками непосред­

ственно после окончания сварки и выдерживают их под нагрузкой в течение 20 ч. Результаты испытаний регистрируют в виде графи­ка зависимости разрушающее напряжение - время разрушения (см. рис. 12.62). За сравнительный количественный показатель со­противляемости металла сварных соединений образованию холод­ных трещин принимают минимальное растягивающее напряжение от внешней нагрузки стр min> при котором начинают образовывать­ся трещины.

Показателями сопротивляемости трещинам, получаемыми с по­мощью машинных испытаний, оценивают только сопротивляемость металла сварных соединений образованию холодных трещин. Их можно использовать для сравнения материалов и технологических вариантов сварки, однако они не применимы непосредственно для оценки стойкости против трещин сварных соединений конструкций, так как для оценки стойкости против образования трещин необхо­димо учитывать действующие сварочные напряжения.

—ч

і-1—

3

6= 1...3

03

D„

в

.8(20)х100x100, испытуемая сталь

УУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУА

10(12)х100х150,

"низкоуглеродистая

сталь

н 1

-J Ю

Г

Г

1

'h

Ь 7 ь м

б

Р

Рис. 12.70. Типы сварных образцов и схемы их нагружения по методу

ЛТП2:

а - толщина 1...3 мм, изгиб распределенной нагрузкой; б, в - толщина 8...20 мм (образцы со стыковым швом), четырехточечный изгиб соответственно вдоль и по­перек шва; г - толщина 8.. .20 мм (образцы с тавровым швом), консольный изгиб

Метод ЛТП2 (ГОСТ 26388-84) предусматривает испытание нескольких типов сварных образцов: плоских круглых толщиной

1.. .3 мм с диаметральным швом, жестко заделанных по контуру, распределенной нагрузкой по схеме изгиба; плоских прямоуголь­ных толщиной 8...20 мм с поперечным или продольным швом по схеме четырехточечного изгиба; тавровых толщиной 8...20 мм по схеме консольного изгиба (рис. 12.70). Разрушающие напряжения определяют приближенно по соотношениям теории упругости.

Метод «Имплант» (ГОСТ 26388-84) предусматривает испыта­ние цилиндрического образца-вставки (импланта) с винтовым надре­зом, который монтируется в отверстие пластины и частично пере­плавляется наплавленным на пластину сварным валиком (рис. 12.71).

68

гТіА + П ҐК

М10

—Q----------

/—

20

л

12

а

300

)

)

1

06 + 0,05

33,3

5—< 33,3

У—і 33,3

у-

11L 1

11 1 1 1

' 1 I 1 1 1 1 1

I 1 1 1 1 1

і i > i ■ i і і

i

i

i

i

1 I

^----------- *4

1-ї-------- 4J------------ Li

: і

б

Рис. 12.71. Образец (а), пластина под сварку (б) и схема нагружения образца (в) при испытаниях по методу «Имплант»

Сварочный термический цикл регулируют, изменяя погонную энергию сварки. За стандартный принят цикл, характеризуемый временем охлаждения от 800 до 500 °С (*8/5)> равным 10 с. В процессе охлаждения в диапазоне температур 150... 100 °С образцы нагружают постоянными растягивающими усилиями.

Разрушающие напряжения рассчитывают приближенно относи­тельно поперечного сечения образца в надрезе без учета концен­трации напряжений.

Метод ЛТПЗ предусматривает моделирование (имитацию) сварочных термических или термодеформационных циклов в об­разцах основного металла (того же типа, что используется при ди­латометрических исследованиях), последующее их наводорожива - ние и испытание на замедленное разрушение. Испытывают пло­ские образцы 1,5 х 10 х 100 мм с боковым надрезом 0,2x3 мм пу­тем четырехточечного изгиба постоянным длительно действую­щим моментом (рис. 12.72). Под нагрузкой образцы выдерживают в течение 20 ч. Имитацию сварочных циклов производят проходя-

а б

Рис. 12.72. Образец (а) и схема нагружения (б) при испытаниях на замедленное разрушение по методу ЛТПЗ

щим электрическим током, наводороживание - электролитическим способом, надрез после наводороживания - тонким наждачным кру­гом. За количественный показатель сопротивляемости замедленному разрушению принимают минимальное среднее напряжение, приво­дящее к образованию трещины в сечении с надрезом (арлпіп)- Расчет разрушающего напряжения выполняют приближенно по соотноше­нию для упругого нагружения бруса по схеме чистого изгиба. Пока­затель ар mjn используют для оценки влияния исследуемых факторов (состава, структуры, концентрации водорода и др.) на сопротивляе­мость замедленному разрушению, а следовательно, и их влияния на сопротивляемость образованию холодных трещин.

ТЕОРИЯ сварочных процессов

Граничные условия

Чтобы решить дифференциальное уравнение теплопроводно­сти, необходимо задать распределение температур в начальный момент времени (начальное условие) и условия взаимодействия тела с окружающей средой на его границах (граничные условия). Начальное условие определяется …

Основные допущения и упрощения, принятые в классической теории распространения теплоты при сварке

На современном уровне развития математики аналитическое решение уравнения теплопроводности в общем виде (5.21) еще не найдено, однако при введении некоторых допущений и упрощений можно получить пригодные для практического использования ча­стные …

Дифференциальное уравнение теплопроводности

Сложный процесс изменения температуры точек тела с коор­динатами jc, у, z во времени t описывается дифференциальным уравнением теплопроводности. Для вывода этого уравнения необ­ходимо рассмотреть баланс теплоты в некотором элементарном объеме …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.