Свариваемость

ВВЕДЕНИЕ

Специфика теплового воздействия на металл при сварке вызывает многообразные сложные изменения в составе и структуре металла сварных соединений. Реакция сталей различного химического состава на термический цикл сварки неодинакова и, как правило, следствием ее является ухудшение свойств стали в зоне сварного соединения, что затрудняет получение качественных сварных соединений.

Разница между сталями, обладающими хорошей и плохой свариваемостью, заключается в том, что для качественной сварки последних необходима более сложная технология (предварительный или сопутствующий подогревы, последующая термообработка, облицовка кромок и т.п.). В некоторых случаях усложнение технологии может быть настолько значительным, что изготовление сварной конструкции может оказаться экономически нецелесообразным. Однако, усовершенствование существующих и разработка новых сварочных процессов и сварочных материалов сокращает ряд таких сталей.

Разработке технологического процесса изготовления сварной конструкции из той или иной стали должна предшествовать оценка свариваемости этой стали. Существует множество разнообразных по своей сущности, трудоемкости и объективности способов оценки свариваемости сталей и различных сплавов.

Понятие свариваемости

Образование сварного соединения сопровождается возникновением химических (ионной, ковалентной, металлической и др.) связей между элементарными частицами соединяемых элементов. Образование химических связей сопровождается, в свою очередь, протеканием определенных явлений, называемых сварочными процессами, которые условно делят на три группы.

Характер и степень развития сварочных процессов определяют технологическую прочность металла шва и зоны термического влияния, то есть способность материалов выдерживать без разрушения различного рода воздействия в процессе их технологической обработки. Кроме того, сварочные процессы в значительной мере определяют и эксплуатационную прочность, работоспособность сварного соединения. При сварке различают технологическую прочность в процессе кристаллизации (стойкость против горячих трещин) и в процессе фазовых и структурных превращений в твердом состоянии (стойкость против холодных и других видов трещин).

Определение понятия свариваемости дано в ГОСТ 2601-84: "Свариваемость - свойство металла или сочетания металлов образовывать при установленной технологии сварки соединение, отвечающее требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией изделия".

Само понятие свариваемости уже говорит о том, что свариваемость является комплексной характеристикой металла, отражающей его реакцию на физико-химическое воздействие процесса сварки и способность образовывать сварное соединение, отвечающее заданным эксплуатационным требованиям.

Свариваемость не является неизменным свойством металла, подобно физическим свойствам его. Наряду с технологическими характеристиками металла свариваемость его определяется способом и режимом сварки, составом присадочного металла, сварочного флюса, электродного покрытия, защитного газа, а также конструкцией сварного узла и условиями эксплуатации изделия.

Различают физическую и технологическую свариваемость [2].

Физическая свариваемость предполагает способность металлов образовывать в результате сварки каким-либо способом монолитные соединения с химической связью. Большинство металлов и сплавов обладают хорошей физической свариваемостью.

Технологическая свариваемость представляет собой технико-экономический показатель и характеризует возможность получения сварного соединения требуемого качества, удовлетворяющего требованиям надежности конструкции при эксплуатации и наименьшей стоимости при изготовлении.

Технологическая свариваемость зависит как от свойств основного металла, так и от состава наплавляемого (присадочного, электродного) металла, способа и режима сварки, используемых флюсов, покрытий, защитных газов, конструкции сварного узла и условий эксплуатации изделия [3].

1.2. Показатели свариваемости

Поскольку свариваемость является комплексной характеристикой металла, отражающей его реакцию на физико-химическое воздействие процесса сварки и способность образовывать сварное соединение, отвечающее заданным эксплуатационным требованиям, то оценка ее каким-либо одним показателем не представляется возможной.

В процессе изготовления сварной конструкции могут возникать горячие, холодные трещины, поры в металле шва, металл может потерять стойкость против перехода в хрупкое состояние и т.д.

С учетом этого основными показателями свариваемости в настоящее время приняты следующие:

- сопротивляемость образованию горячих трещин при сварке;

- сопротивляемость образованию холодных трещин и замедленному разрушению;

- окисляемость металла при сварке, зависящая от его химической активности;

- чувствительность металла к тепловому воздействию сварки, характеризуемая его склонностью к росту зерна, структурными и фазовыми изменениями в шве и зоне термического влияния, изменением прочностных и пластических свойств;

- чувствительность к образованию пор;

- сопротивляемость образованию трещин при повторных нагревах;

- соответствие свойств сварного соединения эксплуатационным требованиям: жаростойкость, жаропрочность, коррозионная стойкость и т.п.

В практике пользуются набором основных показателей, типовых для каждого вида материала и условий эксплуатации изготовленных из него сварных конструкций.

1.3. Горячие трещины при сварке

В МВТУ им.Н.Э.Баумана Н.Н.Прохоровым была разработана теория технологической прочности металлов при сварке, согласно которой сопротивляемость сварного соединения образованию горячих трещин определяется тремя основными факторами: пластичностью металла в температурном интервале хрупкости, величиной этого интервала и характером (темпом, скоростью) нарастания деформации при охлаждении.

Значение пластичности П и характер ее изменения в ТИХе зависят от химического состава сплава, схемы кристаллизации сварного шва, степени развития физической и химической неоднородности и других факторов, степень развития и влияния которых существенно зависят от способа, техники, режимов, условий сварки и т.п.

Уровень деформации при охлаждении сварного соединения определяется конструкцией сварного узла, порядком наложения швов, составом сварочных материалов, режимом сварки и т.д.

Следует отметить, что все указанные факторы находятся в тесной взаимосвязи и при разработке технологического процесса изготовления сварной конструкции желателен максимальный учет их.

Для повышения сопротивляемости сварных соединений образованию горячих трещин необходимо в процессе проектирования сварных узлов, разработки технологического процесса и на этапе изготовления сварной конструкции стремиться обеспечить такое сочетание конструктивного оформления узлов, свойств металла в ТИХе, технологических приемов и способов сварки, которое давало бы минимальный уровень деформаций при максимальной пластичности металла.

Обычно это обеспечивается следующими путями:

1) изменением химического состава;

2) выбором оптимального режима сварки;

3) применением рациональных типов конструкций и порядка наложения швов.

Одним из наиболее надежных способов исключения горячих трещин является выбор металла с повышенной стойкостью против таких разрушений. Определяющим фактором при этом является химический состав металла. Снижение содержания в сварных швах вредных примесей (серы, фосфора, по возможности углерода), дополнительное легирование с целью связывания серы, фосфора в тугоплавкие соединения

При сварке аустенитных сталей и сплавов на основе никеля сопротивляемость образованию горячих трещин значительно повышается при наличии в структуре металла шва второй фазы (обычно феррита, иногда карбидов). Ферритная фаза при этом измельчает структуру, растворяет вредные примеси, дополнительно скрепляет аустенитные зерна.

Режим сварки представляет собой основной фактор, определяющий форму шва, характер и схему кристаллизации и в значительной мере - время пребывания металла шва и околошовной зоны в области высоких температур, при которых происходит формирование как структуры, так и химической и физической неоднородности металла.

Узкие швы с глубоким проплавлением более склонны к горячим трещинам, чем широкие с меньшим проплавлением. Во многих случаях благоприятным считают коэффициент формы шва (отношение ширины шва к глубине провара) в пределах 1,5...3,0.

Конструкция сварного узла, порядок наложения сварных швов определяют значение деформации в ТИХе и поэтому влияют на сопротивляемость образованию трещин. Для уменьшения деформаций на практике применяют определенные приемы сборки. К ним относятся технологические планки, привариваемые в начале и в конце швов, жесткое закрепление изделия во время сварки для уменьшения его коробления, выведение кратера на технологические планки, иногда предварительный или сопутствуюший подогрев, многопроходная сварка и др.

У сталей и сплавов, склонных к дисперсионному твердению, выявлено снижение пластичности при температурах 500...700 С. Этот температурный интервал называют третьим температурным интервалом хрупкости (ТИХа). При сварочном цикле он наблюдается лишь в сплавах с интенсивным дисперсионным твердением (типа ХН70ВМТЮ), а в остальных - лишь при термической обработке сварных соединений на этапе нагрева, что приводит к образованию трещин повторного нагрева [4,6]. Иногда такие трещины также относятся к горячим, хотя чаще их рассматривают как самостоятельные. Они характерны как для низколегированных и легированных сталей, особенно для перлитных жаропрочных Cr-Мо-V сталей. Трещины представляют межкристаллическое разрушение в крупнозернистых участках зоны термического влияния.

Образование трещин повторного нагрева связывают с локальной пластической деформацией ползучести, в результате которой происходит релаксация (снятие) напряжений. Нагрев и выдержка в критическом интервале температур приводит к выделению мелкодисперсных частиц карбидов в теле зерен и упрочнению последних, что способствует развитию пластической деформации преимущественно в приграничных областях зерен. В результате относительного смещения зерен на их стыках появляются пики микронапряжений, которые и являются причиной зарождения очагов микротрещин. Загрязненность границ зерен примесями снижает прочность межзеренного сцепления и способствует образованию микротрещин.

Склонность к трещинам повторного нагрева зависит от состава стали, микроструктуры зоны термического влияния (ЗТВ) и величины остаточных сварочных напряжений. Наличие в составе стали хрома, молибдена, ванадия, меди, титана, ниобия, а также примесей фосфора, серы, олова, мышьяка, сурьмы и др. способствует появлению склонности к образованию трещин.

Мерами предотвращения трещин повторного нагрева служат выбор рационального легирования стали, особенно уменьшение возможного минимума содержания молибдена и ванадия, снятие уровня остаточных напряжений в сварных узлах и повышение температуры отпуска свыше 700 ^oС.

1.4. Холодные трещины при сварке

Выше отмечалось, что горячие трещины образуются в температурном интервале хрупкости. При охлаждении металла от ТИХ до нормальных температур пластичность металла оказывается достаточно высокой во всем интервале и вероятность возникновения трещин в этом интервале весьма мала.

В тех случаях, когда металл шва и околошовной зоны в процессе охлаждения претерпевает фазовые или структурные превращения, сопровождающиеся изменением его удельного объема и значительным снижением пластических свойств, трещины могут возникать и в области низких температур - ниже 200 ^оС. Подобные явления возможны, например, при сварке закаливающихся сталей. Такие трещины называются холодными.

Холодные трещины представляют собой локальное хрупкое межкристаллическое разрушение металла сварных соединений, часто возникающее при сварке углеродистых и легированных сталей, если при сварке они претерпевают частичную или полную закалку. Трещины могут возникать во всех зонах сварного соединения и располагаться параллельно или перпендикулярно оси шва (рис.1.3). Место образования и направление развития трещин зависит от состава и структуры металла шва и основного металла, напряженного состояния в ЗТВ и других факторов

Образование холодных трещин начинается с возникновения очага разрушения, как правило, на границах аустенитных зерен в крупнозернистом участке ЗТВ (рис.1.3,б, зона А). Разрушение не сопровождается заметной пластической деформацией, поэтому может быть отнесено к межкристаллическому, хрупкому.

Дальнейшее развитие очага в микро- и макротрещину может носить смешанный или внутризеренный характер (рис.1.3,б зона В), т.е. трещина проходит как по границам, так и по телу зерна и сопровождается заметной пластической деформацией окружающего металла.

Характерными особенностями большинства случаев возникновения холодных трещин является наличие инкубационного периода до образования очага (очаг возникает по истечении некоторого времени после охлаждения сварного соединения до температур возникновения трещин) и то, что образование трещин происходит при значениях напряжений, меньших 0,9 кратковременной прочности материала в состоянии после сварки.

В связи с тем, что такие закономерности характерны для замедленного разрушения, холодные трещины относят к замедленному разрушению материала.

Замедленное разрушение происходит в результате снижения прочности материала под воздействием длительных статических нагрузок.

Замедленное разрушение свежезакаленной стали связано с микропластическим течением металла по границам зерен благодаря наличию в структуре мартенсита такой стали высокой плотности незакрепленных, способных к легкому скольжению краевых дислокаций. Микропластическая деформация проявляется большей частью в виде сдвигов по границам и в приграничных зонах аустенитных зерен.

В настоящее время считают, что основными причинами образования холодных трещин являются следующие:

1) закалочные структуры в зоне сварного соединения, характеризующиеся пониженной пластичностью и придающие сталям склонность к замедленному разрушению;

2) диффузионно-подвижный водород в зоне зарождения и развития трещины;

3) сварочные напряжения 1 рода и напряжения от внешних нагрузок.

Известно, что структурное состояние металла во многом определяет его механические свойства. Формирование структуры металла зависит от его химического состава и условий теплового воздействия, главным образом - от скорости охлаждения в температурном интервале распада аустенита. Характер теплового воздействия на металл при сварке определяется термическим циклом сварки (ТЦС), зависящим при прочих равных условиях от режима и условий сварки.

В зависимости от скорости охлаждения в сталях возможно образование различных структур: от феррито-перлитных до мартенситных. Термические циклы при сварке многих сталей характеризуется скоростью охлаждения, часто превышающей критическую для данной стали. В таких случаях в металле шва и зоны термического влияния возникают малопластичные закалочные структуры мартенситного типа. Стали с такой структурой оказываются малопластичными, запас их деформационной способности низок. Кроме того, в таком состоянии они оказываются склонными к замедленному разрушению. Оба эти фактора создают предпосылки для возникновения холодных трещин. Ориентировочно минимальная доля мартенсита в структуре перлитных сталей, при которой возможно образование холодных трещин, составляет 25-30 %.

Мартенситные превращения основной части аустенита обычно протекают при пониженных температурах (400-300 ^оС), когда металл уже приобрел значительную прочность, сопровождаются значительным увеличением объема, что приводит к возникновению структурных напряжений.

По сравнению с другими структурными составляющими мартенсит характеризуется высокой твердостью, прочностью и низкой пластичностью.

Углерод и большинство легирующих элементов повышают устойчивость аустенита, способствуют распаду его при более низких температурах с образованием мартенсита, повышая тем самым вероятность возникновения холодных трещин при сварке.

В образовании холодных трещин при сварке значительную роль играет водород. В начальный после сварки момент максимальная концентрация водорода оказывается в металле шва, куда он общеизвестными путями попал в период нахождения металла шва в жидком состоянии.

В металле водород может существовать в виде атомов, ионов, молекул. Ионы и атомы водорода, имея малые размеры, легко перемещаются (диффундируют) в твердом металле как при высоких, так и при комнатной температурах.

В связи с высокой концентрацией в металле шва водород диффузионным путем распространяется в области с меньшей концентрацией: околошовную зону и далее в основной металл, через наружную поверхность шва в окружающую атмосферу. Если в околошовной зоне закалочных структур нет, водород перемещается вглубь основного металла. При наличии в околошовной зоне закалочных структур водород задерживается в ней, так как коэффициент диффузии его в мартенсите в несколько раз меньше, чем в ферритоперлитной структуре. Попадая в микронесплошности (поры, микротрещины), водород переходит в молекулярную форму, развивая постепенно в таких несплошностях высокие давления, приводящие к росту несплошностей, т.е. к развитию холодных трещин.

Содействие водорода развитию и росту трещин связывают также и с тем, что водород снижает поверхностную энергию, т.е. уменьшает работу развития трещины. Существуют и другие взгляды, объясняющие влияние водорода на склонность сталей к образованию холодных трещин при сварке.

Третьим фактором, определяющим образование холодных трещин, являются напряжения. Временные напряжения в сварном соединении возникают и непрерывно изменяются в процессе его охлаждения в результате усадки и фазовых превращений в металле шва и околошовной зоны. В зависимости от величины временных сварочных напряжений при температурах, близких к температуре начала мартенситного превращения, в околошовной зоне наблюдаются различные упруго-пластические деформации. Это оказывает заметное влияние на кинетику превращения переохлажденного аустенита в этой зоне и, следовательно, на конечную структуру и свойства металла [7].

Характер и уровень временных напряжений зависят от конструкции сварного узла, способа, режима, условий и техники сварки и других факторов, важная роль среди которых отводится химическому составу металла шва.

Практика показывает, что стойкость сварных соединений против образования трещин с аустенитными швами значительно выше, чем с ферритными. Водородная гипотеза этого факта не объясняет.

Исследованиями А.М.Макары [7] установлено, что величина временных напряжений в сварных соединениях с аустенитными и ферритными швами различна. В сварных соединениях с аустенитными швами напряжения растяжения, возникающие к моменту охлаждения околошовной зоны до 500 С, более высокие, чем в соединениях с ферритными швами и вызывают превращение аустенита в этой зоне при более высоких температурах. Образующийся при более высоких температурах мартенсит подвергается самоотпуску, в результате чего обеспечивается некоторый уровень пластичности металла, достаточный для предупреждения возникновения трещин.

На развитие самоотпуска мартенсита в околошовной зоне существенное влияние оказывают также химический состав стали и термический цикл сварки. Чем меньше в стали углерода и легирующих элементов и чем меньше скорость охлаждения сварных соединений в мартенситном интервале температур, тем выше температурный интервал мартенситного превращения и тем более полно происходит процесс самоотпуска мартенсита.

Считают, что влияние типа металла шва на стойкость сварных соединений против образования холодных трещин не сводится только к изменениям в превращении переохлажденного аустенита под воздействием упруго-пластических деформаций.

Благоприятное влияние аустенитной структуры металла шва связывают также с возможностью "залечивания" дефектов участков перегрева околошовной зоны на границе со швом. Эти дефекты образуются в результате частичного подплавления границ зерен, особенно на участках с легкоплавкими неметаллическими включениями. Эти дефекты имеют вид надрывов и могут впоследствии служить очагами возникновения холодных трещин. "Залечивание" дефектов возможно в связи с тем, что аустенитный металл имеет температуру плавления намного ниже, чем основной металл.

Кроме отмеченных факторов на склонность сталей к образованию холодных трещин оказывают влияние количество, состав, характер распределения и форма неметаллических включений в основном металле. Наиболее неблагоприятной формой неметаллических включений является пленообразная. При неблагоприятной форме и цепочкообразном расположении включений в месте их расположения возможно зарождение надрывов (особый вид горячих трещин), которые могут служить очагами для последующего зарождения холодных трещин. С уменьшением количества и при более равномерном распределении включений вероятность образования нарывов уменьшается. Равномерное и мелкодисперсное распределение неметаллических включений затрудняет зарождение холодных трещин.

По внешним признакам и по некоторым факторам, определяющим их образование, близкими к холодным трещинам являются так называемые ламелярные (слоистые) трещины. Ламелярные трещины - это трещины в зоне термического влияния, образующиеся параллельно поверхности свариваемых листов и имеющие ступенчатый (каскадный) характер [4]. Визуально наблюдаются после сварки и завершения охлаждения. Большая часть участков таких трещин имеет древовидный (вид расщепленного дерева) характер. Эти участки совпадают со слоистостью металла, образующейся в результате прокатки. Образуются трещины, как правило, в угловых и тавровых соединениях низколегированных сталей мартеновской и конверторной выплавки под влиянием сварочных напряжений, наплавленных по толщине сва­риваемых листов.

Установлено, что по мере увеличения содержания углерода возможно одновременное образование ламелярных и холодных в обычном понимании трещин. При содержании в стали углерода более 0,30 % преимущественно образуются холодные трещины, при этом сопротивляемость образованию холодных трещин значительно ниже, чем ламелярным.

Образование ламелярных трещин связывают с наличием в металле вытянутых неметаллических включений типа сульфидов и силикатов.

Предполагают следующий механизм разрушения при возникновении ламелярных трещин: неметаллические включения механически отделяются от металлической матрицы вследствие слабого их сцепления, отрываются в результате различной величины теплового расширения и сокращения металла и включений, охрупчивающего действия водорода, концентрирующегося на межфазной поверхности. Важная роль отводится концентрации напряжений у заостренных концов включений, отношению длины включений к их критической длине, при которой возможно дальнейшее распространение трещины, подкалке и охрупчиванию металлической основы в зоне термического влияния.

Для предотвращения ламелярных трещин используют конструктивные и технологические мероприятия: выбор рациональной конструкции сварного узла, при которой сварочные напряжения по направлению толщины листа минимальны, предварительный подогрев, наплавку на свариваемые кромки и т.п. Наиболее эффективным способом является повышение качества стали, главным образом за счет снижения содержания серы.

1.5. Хрупкие разрушения металла сварных соединений

Различают пластичное (вязкое) и хрупкое разрушение металлов. Пластичное разрушение характеризуется значительной предшествующей разрушению пластической деформацией. Излом при этом имеет матовый оттенок и волокнистый характер. Пластичное разрушение требует значительных затрат энергии, поэтому при эксплуатации металлических конструкций случается сравнительно редко.

Хрупкое разрушение характеризуется тем, что оно не сопровождается заметной пластической деформацией и происходит при напряжениях, не превышающих предела текучести. Излом при хрупком разрушении практически нормален к поверхности и имеет кристаллический характер, а траектория разрушения близка к прямолинейной.

В большинстве случаев хрупкое разрушение носит внутрикристаллический характер. Разрушение в большинстве случаев происходит под действием нормальных напряжений и распространяется вдоль плоскости скола (отрыва), представляющей собой наименее упакованную кристаллографическую плоскость. В случае насыщения металла водородом разрушение может быть межкристаллитным. Часто хрупкое разрушение происходит внезапно и распространяется с большой скоростью при малых затратах энергии. В некоторых случаях разрушение носит катастрофический характер.

Вид разрушения в металлах и сплавах с ОЦК решеткой зависит от их состава, условий эксплуатации: температуры, скорости приложения нагрузки, вида напряженного состояния и т.п. Снижение температуры, увеличение скорости деформирования могут вызвать переход от пластичного разрушения к хрупкому. Примеси и легирующие элементы затрудняют подвижность дислокаций, способствуя тем самым хрупкому разрушению.

В общем случае процесс хрупкого разрушения происходит в три этапа: возникновение трещины, медленное (стабильное) ее развитие и лавинообразное (нестабильное) распространение разрушения. В зависимости от конкретных условий (материал, геометрия изделия, условия нагружения) этап медленного развития трещины может либо отсутствовать, либо быть весьма продолжительным. В последнем случае отдельные конструкции могут быть допущены к эксплуатации при наличии трещин или трещиноподобных дефектов при условии контроля за их медленным развитием и своевременного предупреждения лавинообразного разрушения.

Опыт эксплуатации показывает, что разрушение сварных соединений чаще зарождается в зоне термического влияния. В сварных соединениях низкоуглеродистых сталей хрупкому разрушению наиболее подвержены участки ЗТВ, нагреваемые до 200...500 ^оС, что связывают с деформационным старением таких сталей при этих температурах.

В соединениях легированных сталей наиболее склонными к хрупкому разрушению оказываются участки ЗТВ с крупным зерном. Охрупчиванию металла способствует также сегрегация примесей на границах зерен, обусловливающая межкристаллитное (межзеренное) разрушение. Это явление довольно часто имеет место при выполнении многослойных сварных швов на легированных сталях, подверженных отпускному охрупчиванию.

Сопротивляемость металла сварных соединений хрупкому разрушению может быть повышена технологическими и металлургическими мероприятиями. Технологическими мероприятиями для низкоуглеродистых сталей являются ограничение погонной энергии (тепловой энергии, вводимой в единицу длины шва), высокий отпуск сварных соединений, а для легированных мероприятия аналогичны применяемым для предупреждения холодных трещин. К металлургическим мероприятиям относятся легирование сталей молибденом, никелем, снижение содержания вредных примесей и газов в металле. Так, стали, подвергнутые электрошлаковому и вакуумно-дуговому переплавам, способствующим снижению содержания в них вредных примесей и газов, характеризуются более высокой сопротивляемостью хрупким разрушениям.

2. МЕТОДЫ ОЦЕНКИ СВАРИВАЕМОСТИ СТАЛЕЙ

Внедрение в промышленность сталей новых марок и сплавов с высокими свойствами затруднено из-за сложности обеспечения технологической прочности и эксплуатационной надежности сварных соединений. Как правило, при прочих равных условиях повышение эксплуатационной прочности металла сварных конструкций сопровождается снижением показателей технологической прочности при сварке. Поэтому разработка эффективного технологического процесса сварки может быть осуществлена только с учетом комплекса сведений, характеризующих как технологическую, так и эксплуатационную прочность, то есть с учетом сведений о свариваемости данной стали, сплава.

Применяемые на практике методы оценки свариваемости используются для проверки свойств основного металла и выяснения пригодности данной технологии сварки или сварочных материалов (электродов, сварочной проволоки, флюсов, защитных газов) для изготовления конструкции, соответствующей требованиям эксплуатции.

Все испытания, проводимые для определения показателей свариваемости, условно делят на две основные группы. К первой группе относятся испытания, применяемые при разработке новых марок стали, новых способов сварки и сварочных материалов, новых типов конструкций и при выборе марки стали, которая при данной технологии обеспечивает возможность получения качественной конструкции. Эту группу испытаний проводят, как правило, исследовательские организации в лабораторных условиях. Ко второй группе относятся испытания, проводимые при проверке соответствия сертификату уже изученной марки стали или данного сварочного материала и при проверке пригодности изученной марки стали для изготовления новых конструкций.

Методы определения показателей свариваемости можно разделить на прямые, при которых оценку производят путем сварки образцов заданной конструкции, и на косвенные, при которых сварочный процесс заменяют другим, имитирующим его процессом. Косвенные методы испытаний являются предварительными и в большинстве случаев их результаты должны быть проверены прямыми испытаниями. Существует множество разнообразных методов определения показателей свариваемости. При испытаниях типы образцов обычно выбирают исходя из стремления максимально приблизить условия его испытания к условиям эксплуатации конструкции.

2.1. Методы оценки сопротивляемости сталей образованию горячих трещин

Зарождение и развитие горячих трещин в сварных соединениях определяются комплексом металлургических, технологических и конструкционных факторов. Их сложное совместное влияние создает большие трудности в разработке единого универсального способа оценки. Этим и объясняется многообразие методик и образцов для испытаний.

Все известные методы испытаний металлов на сопротивляемость образованию горячих трещин классифицируют следующим образом:

1) определение механических свойств в температурном интервале хрупкости;

2) испытания с принудительным деформированием образцов, подвергнутых сварочному нагреву;

3) технологические пробы, на которых деформации металла в температурном интервале хрупкости регулируются выбором конструкции, размеров образца, последовательности и режимов сварки.

Первая группа испытаний предполагает определение границ температурного интервала хрупкости, прочности и пластичности металла при этих температурах. Испытания проводят в изотермических условиях, что может привести к несоответствию границ этого интервала в условиях непрерывного охлаждения при сварке. Методы испытаний по термическим циклам сварного шва не позволяют имитировать внутренние деформации при сварке реальных соединений, что сказывается на достоверности результатов

При испытаниях методами принудительного деформирования критерием количественной оценки чаще всего служит критическая скорость внешней деформации. Эта группа испытаний имеет преимущества перед первой в том, что более полно учитывает и воспроизводит реальный характер изменения темпа внутренних деформаций при сварке.

Самым простым и производительным методом экспериментальной оценки являются технологические пробы, в наибольшей степени соответствующие условиям конкурентной технологии, но не позволяющие дифференцированно оценить прочность, пластичность, температурный интервал хрупкости.

Косвенные методы определяют сопротивляемость сплавов образованию горячих трещин по диаграммам состояния, по количеству ферритной фазы в аустенитных швах в соответствии с диаграммой Шеффлера, по эквиваленту углерода для сталей и по другим условным показателям. Эти методы пригодны лишь для приближенной оценки влияния состава сплава на его технологическую прочность.

2.1.1. Методы механических испытаний металлов в температурном интервале хрупкости

Одним из методов определения механических свойств сплавов в температурном интервале хрупкости является метод МВТУ [5]. При этом методе плоский образец размерами 300х20х2...3 мм помещают на медный поддон печи специальной разрывной машины, нагревают до расплавления и охлаждают до заданной температуры, при которой испытывают на растяжение. В процессе испытаний определяют предел прочности и относительное удлинение в изотермических (при неизменной температуре) условиях. По результатам испытаний при различных температурах определяют температурный интервал хрупкости.

Метод ИМЕТ-1 предусматривает нагрев и охлаждение стержневых образцов по заданному термическому циклу в специальной машине ИМЕТ-1. В процессе нагрева или охлаждения образцы подвергают либо деформированию, либо быстрому разрыву при заданной температуре или в заданном интервале температур. Анализируя характер изменения механических свойств при различных температурах в процессе непрерывного нагрева и охлаждения, устанавливают температурный интервал хрупкости. Особое внимание обращают на температуру восстановление пластичности металла, когда в условиях сварки могут возникнуть значительные растягивающие напряжения.

Испытания по этому методу не учитывают влияния деформации усадки, накапливающейся в околошовной зоне при охлаждении, на запас пластичности металла в температурном интервале хрупкости и не исключают ошибки в определении температуры восстановления пластичности

2.1.2. Определение сопротивляемости сталей образованию горячих трещин принудительным деформированием

Испытание швов статическим изгибом предусматривают изгиб стыкового сварного соединения в процессе сварки. Скорость деформирования металла шва задается специальной машиной. За показатель сопротивляемости швов образованию горячих трещин принимают максимальную скорость принудительной деформации, при которой трещины в сварном шве не возникают.

Образец для испытаний состоит из двух пластин с V - образными кромками и притуплением в корне шва. Толщина пластин 10...15 мм, величина притупления - не менее 3 мм. Высота шва меняется в зависимости от толщины образца от 5 до 10 мм. Деформацию образца начинают примерно на 1/3 длины сварного шва.

Недостатками этого метода являются непостоянство скорости принудительной деформации и неоднородность деформации по длине шва.

Существуют и другие методы этой группы испытаний (метод Мю­рекс, метод Бланше, метод ЛПИ и др.), характеризующиеся своими достоинствами и недостатками.

2.1.3. Оценка сопротивляемости образованию горячих трещин с помощью технологических проб

Сущность таких испытаний заключается в том, что металл, в котором не возникают трещины в искусственно созданных жестких условиях (это достигается выбором геометрии проб, конструктивных размеров и методов закрепления элементов), не должен разрушаться и в реальных условиях.

Технологические пробы условно делят на количественные и качественные. К количественным пробам относятся те пробы, в которых изменение темпа нарастания деформаций в металле шва, то есть изменение условий, вызывающих образование горячих трещин, можно связать с каким-либо конструктивным параметром (размерами образца, глубиной надреза и т.п.). Сравнение таких проб по изменяемому конструктивному признаку позволяет выделить сплавы с меньшей или большей сопротивляемостью образованию горячих трещин.

Качественные технологические пробы предусматривают выполнение сварных швов на образцах постоянной формы при соблюдении строго определенной последовательности и определенных режимов сварки. Сопротивляемость образованию горячих трещин оценивают по наличию или отсутствию трещин на поверхности, на шлифах или в изломах сварных швов.

2.1.4. Косвенные методы оценки сопротивляемости сталей образованию горячих трещин

Одним из косвенных методов оценки является расчетно-статистический метод, основанный на использовании параметрических уравнений и применимый только для сплавов определенного состава.

Второй недостаток этого метода сводится к невозможности учета неравномерного распределения примесей, а также отклонений по технологическим параметрам сварки, выходящим за исследованные пределы [4].

Таблица 2.1.

Расчетно-статистические показатели склонности сталей

к горячим трещинам

Параметрические уравнения	Вид оценки	Область применения
	< 4 – не склонная   < 2 – не склонная	для сталей с dВ< 700 МПа для сталей с dВ>700 Мпа
	< 10 – стойкая ³ 30 – склонная	NB – микролегированные стали
	³ 6,0… стойкая < 1,8 – склонная	легированные стали
	>1,5 при S+P=0,02……0,035 - - стойкая <1,5 при S+Р = 0,02 – склонная	Cr-Ni - аустенитные стали
L=299C+8Ni+142Nb-5,5(%d-Fe)^2-105	L>0 – склонная	Аустенитно- ферритные стали

2.2. Методы оценки склонности сталей к образованию холодных трещин

Существующие методы оценки сопротивляемости (склонности) сталей образованию холодных трещин классифицируют по следующим основным признакам:

1) по характеру оценки- на прямые и косвенные;

2) по характеру показателей склонности - качественные, количественные и полуколичественные;

3) по характеру использования показателей склонности - сравнительные и прикладные.

Прямые методы оценки предусматривают сварку технологических проб, специализированные испытания сварных соединений или материалов в условиях, имитирующих сварочные. Прямые методы сочетают с анализом фазовых и структурных превращений, протекающих в сварных соединениях при охлаждении, и изучением механических свойств металла околошовной зоны.

Критерии оценки, или показатели склонности чаще выражают через характеристики одного или нескольких факторов, обусловливающих образование трещин. Критерии качественной оценки не имеют численного значения и лишь позволяют сделать вывод о склонности или несклонности металла к образованию трещин. Количественные критерии имеют численное значение, оценивающее влияние одного из факторов, определяющих образование холодных трещин. Если же критерий является числовой характеристикой одного из факторов, а при определении показателей склонности к трещинам одновременно изменяется несколько факторов, то метод оценки считают полуколичественным.

Способы оценки, критерии которых позволяют лишь сопоставлять материалы или технологические варианты сварки по их склонности к трещинам или возможности образования их, считают сравнительными. Способы, количественные критерии которых могут быть использованы для оценки стойкости сварных соединений против образования трещин, относят к прикладным.

2.2.1. Методы специализированных механических испытаний сварных образцов

Эти методы, называемые также "машинными", основаны на создании в зоне термического влияния под воздействием внешней длительно действующей постоянной нагрузки условий, при которых в металле образуются холодные трещины. При проведении испытаний серию образцов нагружают различными по величине нагрузками непосредственно после окончания сварки и выдерживают их под нагрузкой в течение 20 ч. За показатель сопротивляемости сварных соединений образованию холодных трещин принимают минимальные напряжения, при которых происходит разрушение образцов или в них появляются трещины. Такие испытания являются сравнительными и не могут быть применены непосредственно для оценки стойкости сварных соединений против трещин, так как не учитывают величину действующих сварочных напряжений.

2.2.2. Оценка склонности сталей к образованию холодных трещин с помощью технологических проб

Преимущества испытаний на технологических пробах по сравнению со специализированными механическими испытаниями заключаются в возможности более детально моделировать весь технологический процесс, то есть в большей степени условия испытаний приближаются к реальным. Однако они не позволяют оценить запас технологической прочности и поэтому пригодны лишь для сравнительной оценки материалов.

Технологические пробы, как правило, представляют собой жесткое закрепление свариваемых элементов какой-либо формы. Испытания на холодные трещины требуют увеличения жесткости проб, так как это приводит к повышению напряжений и деформаций в области низких температур. В процессе испытания проб предусматривается возможность регулирования термических циклов сварки. Стойкость материалов оценивают по наличию или отсутствию трещин в образцах, по относительной протяженности трещин, по скорости охлаждения околошовной зоны и времени до появления первой трещины.

Технологические пробы по характеру использования получаемых результатов делят на лабораторные и отраслевые. Лабораторные пробы дают сравнительную оценку материалам или вариантам технологического процесса сварки безотносительно к какому-либо виду сварных конструкций. Пробы отраслевого назначения позволяют получать оценку материалов в условиях, максимально приближенных к конструктивным, технологическим и климатическим условиям изготовления сварных конструкций определенного вида, и поэтому являются прикладными. С их помощью выбирают материалы и назначают технологи, обеспечивающие необходимую стойкость сварных соединений против образования холодных трещин.

Проба ЦНИИТС имеет отраслевое назначение применительно к судостроению и представляет собой натурный образец, воспроизводящий многослойное стыковое соединение судовых корпусных конструкций (рис.2.9).

Сварку пробы выполняют по технологии, применяемой при изготовлении подобных конструкций. Через сутки после сварки пробу анодномеханической резкой разрезают на заготовки для продольных, послойных и поперечных шлифов. Шлифы травят и исследуют визуально с помощью лупы с увеличением х3 на наличие трещин.

Количественным показателем стойкости сварных соединений против образования трещин служит значение начальной температуры пробы (температуры перед сваркой), начиная с -25 ^оС, при которой уже не образуются трещины.

2.2.3. Расчетные методы оценки склонности сталей к образованию холодных трещин

Расчетные методы относятся к косвенным методам оценки и предполагают два основных методических подхода к решению задачи. Первый подход использует параметрические уравнения, полученные статистической обработкой экспериментальных данных. Эти уравнения связывают выходные параметры (показатель склонности к образованию трещин, температуру подогрева и др.) с входными параметрами, включающими в себя химический состав металла, режим сварки и другие, без учета физических процессов в металле при сварке, обуславливающих образование холодных трещин. В этой связи применение их ограничено областью, в пределах которой изменялись входные параметры при проведении экспериментов. Этот подход часто не учитывает всего многообразия факторов, оказывающих влияние на образование трещин.

Второй подход предусматривает анализ физических процессов в металлах при сварке, которые обусловливают образование трещин. В этом случае используют физические модели процесса разрушения при образовании трещин, законы металлофизики, учитывают характеристики и константы материалов. Эти методы более универсальны по сравнению с первыми и позволяют учитывать ряд металлургических, технологических и геометрических факторов. Расчеты выполняются с использованием ЭВМ.

Для пересчета содержания каждого элемента в эквивалентное количество углерода на основании статистической обработки экспериментальных данных устанавливаются соответствующие коэффициенты, значения которых зависят от системы и уровня легирования стали. В настоящее время известно более тридцати уравнений для расчета углеродного эквивалента. Степень применяемости этих уравнений различна. Следует отметить, что об­ласть применения оценки склонности сталей к образованию холодных трещин с помощью эквивалента углерода регламентируется редко, что затрудняет выбор формул и значительно снижает эффективность метода.

Одной из наиболее распространенных формул для подсчета углеродного эквивалента считают формулу вида (2.2) [3]

(2.2)

При пользовании этой формулой содержание меди учитывается

при Сu³0 0,5 %, а фосфора при Р > 0,05 %.

В случае, если С_э > 0,45...0,55 %, в зависимости от толщины металла, рекомендуется применять предварительный подогрев. При сварке низколегированных сталей повышенной прочности низководородистыми электродами (как правило, с основным покрытием по специальной технологии (многопроходная сварка, обеспечивающая прогрев предыдущего слоя при наложении последующего по всему сечению до температур выше Ас ₃) критическое значение углеродного эквива­лента может быть увеличино до 0,70 %.

В работе [4] приводится формула (2.3) с другими коэффициентами.

(2.3)

Стали, у которых С_э ³ 0,45 %, считаются потенциально склонными к образованию холодных трещин, так как в этом случае становится возможным образование закалочных структур в металле сварного соединения, что при условии насыщения металла водородом и высоких сварочных напряжений может вызвать образование трещин.

Приведенные формулы для расчета углеродного эквивалента не учитывают толщину металла и содержание в нем водорода. Толщина металла оказывает влияние как на термический цикл, так и на уровень сварочных напряжений, влияние водорода рассмотрено ранее. Это обстоятельство в значительной мере снижает объективность оценки.

Красовский А.И. [8] приводит несколько иную формулу (2.4), учитывающую влияние толщины металла и рекомендованную в свое время для использования в странах бывшего СЭВ.

(2.4)

где S - толщина металла, мм.

Согласно рекомендациям по использованию этой формулы для ответственных сварных конструкций может быть применена сталь с содержанием углерода не более 0,22 % и C_э≤ 0,50 %.

Пользуясь формулой (2.4) и учитывая данные табл.2.2, устанавливают степень сложности технологии сварки углеродистых и низколегированных сталей перлитного класса, обеспечивающую отсутствие трещин в околошовной зоне сварного соединения.

При сварке изделий небольшой массы, или в условиях малой интенсивности отвода тепла указанная в таблице степень сложности технологии выполнения сварных соединений может быть снижена путем применения соответствующих повышенных режимов сварки.

А.И.Красовский же считает достаточно проверенной и надежной несколько сокращенную формулу (2.5).

(2.5.)

Им проведена графоаналитическая обработка результатов многочисленных исследований, которая позволила представить графически зависимость допускаемой минимальной начальной температуры изделия из низколегированной стали от значения ее углеродного эквивалента, определенного по формуле (2.5), и толщины свариваемых деталей (рис. 2.10).

График построен для ручной дуговой сварки низколегированных

сталей электродами диаметром 5 мм с основным покрытием при погонной энергии около 16000 Вт/см.

Таблица 2.2.

Условия сварки углеродистых и низколегированных сталей

перлитного класса в зависимости от их химического состава

Эквивалентное содержание углерода в стали, %	Технологический процесс, обеспечивающий отсутствие холодных трещин
Сэ ≤ 0,25	Сварка в обычных условиях (без подогрева)
0,25‹ Сэ ≤ 0,35	Сварка с предварительным низким подогревом (150-200 ^оС) и с последующей термообработкой (нормализация или отпуск)
0,35‹ Сэ ≤ 0,5	Сварка с предварительным высоким подогревом (500-600 ^оС), либо в некоторых случаях с сопутствующим подогревом и последующей термообработкой (нормализация или отпуск)

Формула Д.Сефериана для расчета эквивалента углерода связывает последний не только с химическим составом стали, но и с толщиной свариваемого металла. Им же предложена расчетная формула для определения температуры предварительного подогрева. Вся методика оценки разработана на основе обобщения экспериментальных данных по сварке различных марок сталей.

Согласно этой методике сначала рассчитывается значение эквивалента углерода без учета толщины металла по формуле (2.6).

(2.6)

Влияние толщины свариваемого металла учитывается поправкой

(2.7)

Полный эквивалент углерода определяется выражением

(2.8)

Температура предварительного подогрева определяется по формуле

(2.9)

Значение С_э определяется по формуле (2.10)

(2.10)

Предельное содержание элементов в стали не должно превышать значений 0,5 % C; 1,6 % Mn; 1 % Cr; 3,5 % Ni; 0,6 % Mo; 1 % Cu. Как видно из рис. 2.11, с увеличением степени легированности стали и толщины свариваемого проката температура подогрева возрастает.

3. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СВАРИВАЕМОСТИ

СТАЛЕЙ РАЗЛИЧНЫХ КЛАССОВ

3.1. Свариваемость углеродистых сталей

Углеродистые стали широко применяются для изготовления конструкций мостов, строительных сооружений, оборудования для нефтяной и газовой промышленности, сельхозмашин различного назначения и т.п. Температурные условия эксплуатации их находятся в интервале от -40 до +425 ^оС.

В составе углеродистых сталей, кроме основы - Fe и С, содержатся Mn (до о,80 %), Si (до 0,37 %), а также примеси - S (до 0,05 %), P(до 0,04 %), О 42 0; 4 0N 42 0; 4 0Н 42 0 и др. Помимо постоянных примесей в сталях могут находиться случайные примеси, содержание которых обычно не превышает 0,3 % Cu, 0,09 % As, 0,3 % Cr, 0,3 % Ni.

В зависимости от содержания углерода углеродистые стали разделяют на низко- (до 0,25 % С), средне- (0,26...0,45 % С) и высокоуглеродистые (более 0,45 % С).

Основными требованиями, предъявляемыми к свойствам сварных соединений из углеродистых сталей, являются обеспечение их равнопрочности с основным металлом и отсутствие дефектов в металле шва.

Низкоуглеродистые стали характеризуются хорошей свариваемостью. Металл шва по своему химическому составу обычно несколько отличается от основного металла пониженным содержанием углерода и повышенным - марганца и кремния. Пониженное содержание углерода должно привести к снижению прочности сварного шва. Чтобы избежать этого, в металл шва дополнительно вводят кремний и марганец. Повышению прочности в некоторой степени способствует также ускоренное охлаждение шва. Поэтому при сварке низкоуглеродистых сталей обеспечить равнопрочность сварного шва основному металлу относительно легко.

Среднеуглеродистые стали вследствие повышенного содержания углерода обладают худшей свариваемостью. Это проявляется в склонности металла шва к образованию кристаллизационных трещин, в образовании в околошовной зоне и в шве малопластичных закалочных структур и холодных трещин.

Усиление чувствительности швов к кристаллизационным трещинам связано с тем, что углерод повышает неравномерность распределения серы и способствует выделению ее по границам в виде легкоплавких сульфидных включений, расширяющих температурный интервал хрупкости. Для получения качественного шва снижают содержание углерода в нем, одновременно легируя его кремнием и марганцем, уменьшают долю основного металла в металле шва.

Повышенное содержание углерода способствует также образованию мартенсита и холодных трещин в околошовной зоне. Для предотвращения этого явления необходимо замедлять охлаждение металла, регулируя режим сварки (увеличивая погонную энергию), или применяя предварительный подогрев изделия. В некоторых случаях после сварки назначают термическую обработку всего изделия или сварных изделий (закалку с отпуском, нормализацию).

Следует отметить, что использование среднеуглеродистых сталей для изготовления сварных конструкций часто оказывается нецелесообразным.

Высокоуглеродистые относятся к трудносвариваемым. Сварка их затруднена по тем же причинам, что и среднеуглеродистых сталей, но еще в большей степени. Сварку высокоуглеродистых сталей, как правило, приходится выполнять при ремонтных работах и в инструментальном хозяйстве при изготовлении режущего инструмента. Для получения качественных сварных соединений рекомендуются те же приемы, что и при сварке среднеуглеродистых сталей.

3.2. Свариваемость низколегированных сталей

Низкоуглеродистые низколегированные конструкционные стали в свою очередь можно разделить на стали повышенной прочности и высокопрочные [10].

В сталях повышенной прочности (10Г2СД, 14ХГС, 10ХСНД, 09Г2ДТ и др.) содержание углерода не превышает 0,23 %. Эти стали используют в машиностроении и строительстве. Поставляют их преимущественно в горячекатаном состоянии.

Легирующие элементы растворяются в феррите, упрочняют его и измельчают перлит, в результате чего предел прочности таких сталей достигает 550 МПа.

По своей свариваемости стали этой группы мало отличаются от нелегированных низкоуглеродистых. Однако они более склонны к росту зерна в околошовной зоне, а при высоких скоростях охлаждения в ней могут формироваться неравновесные структуры закалочного типа.

Такие элементы, как Al, Тi, Nв, интенсифицируют процесс распада аустенита при высоких температурах, способствуя увеличе­нию числа центров кристаллизации и получению мелкозернистой структуры.

Высокопрочные стали (14Х2ГМР, 14ХМНДФР, 12ХГ2СМФ и др.) относят к термически упрочняемым сталям (s_в ³ 800 МПа), которые наряду с высокой прочностью характеризуются достаточно высокой пластичностью, вязкостью и повышенным сопротивлением хрупким разрушениям. Упрочнение этих сталей достигается сочетанием минимального легирования с термической обработкой-закалкой и отпуском.

Свариваемость высокопрочных сталей хуже свариваемости сталей повышенной прочности по следующим показателям:

1) в околошовной зоне сварных соединений возможно образование холодных трещин;

2) в зоне термического влияния возможно появление участка разупрочнения, снижающего прочность сварного соединения.

Следует отметить, что опасность возникновения холодных трещин при сварке высокопрочных сталей меньше, чем при сварке углеродистых конструкционных с повышенным содержанием углерода, так как мартенситное (или бейнитное) превращение из-за низкого содержания углерода протекает при относительно высоких температурах (> 350 ^оС) и сопровождается сравнительно низкими напряжениями второго рода. Кроме того, малоуглеродистый игольчатый мартенсит, или бейнитная структура более пластична. Уменьшение скорости охлаждения, ограничение содержания водорода в металле шва способствуют предотвращению образования холодных трещин.

Разупрочнение в зоне термического влияния может достигать 30 % и более и проявляется на участках, нагреваемых выше температуры отпуска при термическом упрочнении стали. Степень разупрочнения зависит от химического состава стали, режима предшествующей сварке термической обработки и режима сварки. С увеличением погонной энергии степень разупрочнения повышается.

Существенно уменьшить разупрочнение можно путем увеличения скорости охлаждения, однако в этом случае возможно появление закалочных структур. Поэтому при выборе режима и условий сварки (термического цикла) необходимо учитывать оба обстоятельства.

Жаропрочные низколегированные стали (15М, 15ХМА, 20ХМА, 20ХМФ и др.) обладают повышенной прочностью при высоких температурах. Эти стали применяют для изготовления конструкций в энергетическом, химическом и нефтехимическом машиностроении (корпуса турбин, аппаратов, паропроводов, поверхностей нагрева котлов и т.п.). Жаропрочность сталей достигается легированием их молибденом, ванадием, вольфрамом. Для повышения жаростойкости вводят хром. Применяют жаропрочные стали, как правило, после термообработки (нормализация с отпуском, закалка с отпуском и др.).

Стали этой группы обладают удовлетворительной свариваемостью. Однако при сварке необходимо обязательно получать металл шва, близкий по составу к основному. Даже при небольшом их различии в легировании карбидообразующими элементами происходит диффузия углерода в шов или наоборот, что приводит к образованию обезуглероженной прослойки по одну сторону линии сплавления и карбидной гряды по другую. В результате этого снижается длительная прочность и пластичность сварного соединения, что может привести к разрушению по зоне сплавления [4].

Жаропрочные стали характеризуются повышенной чувствительностью к закалке, поэтому в сварном соединении могут возникать холодные трещины. Для предупреждения трещин применяют предварительный подогрев. Обычно температура подогрева хромо-молибденовых жаропрочных сталей находится в пределах 200...300 ^оС. После сварки все изделия из жаропрочных низколегированных сталей подвергаются термической обработке для выравнивания структуры и снятия сварочных напряжений (чаще нормализации с отпуском, иногда - высокому отпуску).

Среднеуглеродистые низколегированные стали (25ХГСА, 30ХГСА, 35ХМ и др.) широко применяются в машиностроении и поставляются преимущественно в термообработанном виде. Такие стали обладают высокими механическими свойствами, особенно прочностью (s_в = 800...1100 МПа).

Свариваемость среднеуглеродистых низколегированных сталей хуже, чем сталей ранее рассмотренных групп в связи с повышенной склонностью металла шва и околошовной зоны к образованию трещин. Свариваемость таких сталей близка к свариваемости среднелегированных сталей перлитного класса.

3.3. Свариваемость среднелегированных сталей

Эти стали легированы одним или несколькими элементами, причем содержание каждого из них составляет 2...5 %, а суммарное содержание - 5...10 %.

Для изготовления сварных конструкций находят применение среднелегированные конструкционные стали (30ХГСНА, 42Х2ГСНМА, 40ХГСН3МА, 30Х2ГСНВМА и др.), содержание углерода в которых не превышает 0,5 % по верхнему пределу, а также жаропрочные стали (12Х5МА, 25Х3НМ и др.), в состав которых входит до 0,25 % С и обязательно до 15 % Сr. В зависимости от состава среднелегированные стали могут быть отнесены к перлитному или мартенситно-бейнитному классам.

Для среднелегированных сталей характерно, как правило, комплексное легирование, позволяющее обеспечивать высокие механические свойства. Такие стали часто применяют в конструкциях в термически упрочненном состоянии, обеспечивающем предел прочности до 2000 МПа.

К сварным соединениям из среднелегированных сталей предъявляются требования по эксплуатационной прочности и специальные требования (например, коррозионная стойкость). Обеспечение выполнения этих требований часто вызывает затруднения, так как с повышением уровня легирования сталей свариваемость их ухудшается.

К основным причинам, ухудшающим свариваемость, относятся:

1) возможность возникновения холодных трещин в околошовной зоне из-за повышенного содержания углерода и легирующих элементов;

2) пониженная стойкость металла шва против образования кристаллизационных трещин, связанная с повышенным содержанием углерода, легирующих элементов и воздействием серы;

3) трудность обеспечения равнопрочности металла сварных соединений основному металлу.

Причины образования холодных трещин при сварке среднелегированных сталей сводятся к общепризнанным для холодных трещин, однако эти стали к ним более чувствительны.

Повышенное содержание углерода и легирующих элементов в сталях увеличивает устойчивость аустенита и смещает мартенситное превращение в область пониженных температур. Образующийся в таких условиях крупноигольчатый мартенсит обладает высокой твердостью и низкими пластичностью и вязкостью. Его формирование сопровождается высокими напряжениями второго рода. Водород, диффундирующий из шва в околошовную зону, задерживается в ней (коэффициент диффузии водорода в мартенсите мал) и может оказывать сильное охрупчивающее действие.

Охрупчивающее действие водородом околошовной зоны зависит от состава металла шва. Если металл шва имеет аустенитную структуру, то трещины в околошовной зоне не возникают несмотря на то, что в зоне сплавления резко возрастает концентрация водорода. Это связано с тем, что аустенит хорошо растворяет водород, но обладает плохой для него проницаемостью и служит как бы запорным слоем для перемещения водорода в околошовную зону.

Меры по предупреждению образования холодных трещин сводятся к ограничению насыщения металла шва водородом и к снижению ско­рости охлаждения в мартенситном интервале температур, а также к созданию условий для развития самоотпуска мартенсита.

Пониженная сопротивляемость швов образованию горячих трещин связана с необходимостью сохранения в них повышенного содержания углерода и легирующих элементов для получения требуемых свойств металла шва. Образованию межкристаллитных легкоплавких прослоек (эвтектик) способствуют С, Si и Р, в результате чего снижается сопротивляемость горячим трещинам. Добавки в металл шва Сr, Мо, W, V, Тi; оказывают благоприятное воздействие, повышая стойкость против трещин. Поэтому при сварке среднелегированных сталей следует тщательно выбирать сварочные материалы, стремясь обеспечить как легирование, так и рафинирование, и модифицирование металла шва. Одновременно используют и технологические меры, применяя режимы сварки, обеспечивающие высокий коэффициент формы провара, а также меры по снижению темпа нарастания деформаций в температурном интервале хрупкости (например, предварительный подогрев).

Не менее важной проблемой при сварке среднелегированных сталей является получение равнопрочных сварных соединений. Трудность решения этой проблемы связана с высокими механическими свойствами сталей, получаемыми в результате различных видов обработки их перед сваркой (электрошлаковый переплав, обжатие слитков перед прокаткой, термическая обработка проката). Металл сварных швов, будучи литым, таким операциям не подвергается, по­этому свойства его и крупнозернистых и разупрочненных участков зоны термического влияния неравноценны свойствам основного металла. Способы получения равнопрочных сварных соединений зависят от того, применяется ли после сварки термообработка.

Если сварные соединения не подвергаются термообработке после сварки, то необходимый уровень свойств обеспечивают путем получения в шве перлитных структур дисперсного (тонкого) строения за счет подбора термического цикла и измельчения первичной и вторичной структур металла. Последнее достигается модифицированием металла шва элементами - модификаторами (Тi, Аl и др.) и увеличением скорости кристаллизации сварочной ванны путем создания меньшего объема ее или применения многослойной сварки.

При изготовлении особо ответственных конструкций обеспечивают получение менее прочных аустенитных швов, а равнопрочность соединения достигают увеличением сечения швов. Такие соединения характеризуются повышенной стойкостью против образования холодных трещин.

В случае сварных соединений, подвергающихся термической обработке после сварки, при металле шва, близком по составу к основному металлу, все соединения рекомендуется подвергнуть полной термической обработке - закалке с высоким отпуском. Этим достигается равноценность сварного соединения основному металлу по всему комплексу свойств.

Если наплавленный металл по составу несколько отличается от основного (этот случай в практике бывает чаще), то назначают режим термической обработки, установленный для свариваемой стали, но с корректировкой параметров применительно к сварным соединениям.

Иногда термическая обработка сводится лишь к высокому отпуску, позволяющему получить более равновесные структуры и более полно снять сварочные напряжения.

Во всех случаях термообработка должна производиться своевременно в период до возможного образования трещин.

3.4. Свариваемость высоколегированных сталей

Высоколегированными называют стали, в которых содержание одного из легирующих элементов составляет не менее 5 %, а суммарное содержание всех превышает 10 %.

Большинство высоколегированных сталей характеризуются пониженной теплопроводностью, большим коэффициентом теплового расширения, высоким электрическим сопротивлением. Такие стали находят широкое применение при изготовлении оборудования для химической, нефтяной промышленности, в энергетическом машиностроении, в атомной, ракетной технике.

По структуре высоколегированные стали условно делят на мартенситные, мартенситно-ферритные, ферритные, аустенитные, аустенитно-ферритные, аустенитно-мартенситные, мартенситно-стареющие.

Свариваемость сталей перечисленных классов имеет свои особенности, детальное описание которых в данном пособии невозможно в связи с ограниченностью объема его. По этой причине в пособии дана лишь краткая характеристика свариваемости некоторых из указанных классов сталей.

Стали мартенситного класса содержат в своем составе до 0,20 % С, 11-12 % Сr, 1...3 % Мо, Ni, V, Cu и в небольших количествах некоторые другие элементы. К сталями этого класса относят стали сварок 15Х11МФ, 15Х12ВНМФ, 13Х11Н2В2МФ, 06Х12Н3Д и др.

Основной проблемой свариваемости сталей мартенситного класса является обеспечение стойкости металла шва и, в особенности, околошовной зоны против образования трещин, так как эти стали обладают повышенной склонностью к хрупкому разрушению в состоянии закалки.

Вследствие структурных особенностей сталей холодные трещины в сварных соединениях могут наблюдаться в процессе непрерывного охлаждения при температурах ниже температуры начала мартенситного превращения (£ 360^оС), а также в процессе выдержки при нормальной температуре.

Предотвращение образования холодных трещин возможно в случае сварки с предварительным или сопутствующим подогревом до 200...450 ^оС. Лучшие свойства соединений получаются при подогреве в интервале температур начала и окончания мартенситного превращения.

Стали мартенситно-ферритного класса содержат до 0,25% С (чаще до 0,18%), 12...14% Сr, до 1% Si, Мn. К сталям этого класса относят стали марок 08Х13, 12Х13, 20Х13, 08Х14МФ, применяемые в химическом и энергетическом машиностроении.

Мартенситно-ферритные стали склонны к подкалке в зоне сварного соединения, вследствие чего возможно образование холодных трещин. Избежать образования холодных трещин можно путем предварительного подогрева до 150...250 ^оС и последующего отпуска при 680...700 ^оС для сталей с содержанием С £ 0,10%; подогрева до температуры Т ³ 300 ^оС и отпуска при 700...720 ^оС для сталей с содержанием С > 0,10 %. При этом время от момента термообработки для сталей первой группы не ограничивается, а для сталей второй группы не должно превышать два часа.

Дополнительное легирование стали 08Х14МФ карбидообразующими элементами позволяет сваривать эту сталь без подогрева. Перспективным конструкционным материалом являются высокоуглеродистые ферритные стали (08Х17Т, 15Х25Т, 08Х23С2Ю, ЭП882-ВИ, ЭП904-ВИ), которые по сопротивляемости коррозии не уступают хромоникелевым аустенитным сталям, но превосходят их по стойкости к коррозионному растрескиванию.

Поскольку стали однофазны, то они не закаливаются, поэтому образование холодных трещин не имеет ничего общего с замедленным разрушением. Ухудшение свариваемости этих сталей связано также с повышенной склонностью их к росту зерна, последствия которого не устраняются термической обработкой, склонностью к охрупчиванию и межкристаллитной коррозии. Температура перехода в хрупкое состо­яние сталей, подвергнутых термическому циклу сварки, находится в пределах 120...300 ^оС. Возможно охрупчивание ферритных сталей при 475 ^оС.

Сварку сталей 08Х17Т, 15Х25Т производят с подогревом до 150...200 ^оС без последующей термообработки, а стали 08Х23С2Ю до 200...250 ^оС с немедленным отжигом при 900 ^оС.

Стали с пониженным содержанием примесей (ЭП882-ВИ, ЭП904-ВИ) отличаются высокой пластичностью и ударной вязкостью, обладают хорошей свариваемостью и свариваются без подогрева.

Стали, имеющие после высокотемпературного нагрева преимущественно аустенитную структуру, называют аустенитными. Такие стали в большинстве случаев легированы хромом (17...19%), никелем (9...11%, иногда 20%), некоторые из них - марганцем (до 16%), кремнием (до 7%). По системе легирования стали подразделяют на хромоникелевые (08Х18Н10; 08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т, 08Х18Н12Б и др.), хромомарганцевые и хромоникелевые (10Х14Г14Н4Т, 10Х14АГ15, 07Х21Г7АН5), хромоникельмолибденовые (08Х17Н13М2Т, 08Х17Н15МЗТ, 03Х21Н21М4ГБ и др.) и высококремнистые (02Х8Н22С6, 15Х18Н12С4ТЮ). Все эти стали используют в конструкциях, работаю­щих в контакте с агрессивными средами как при нормальной, так и при повышенной температурах, вплоть до температуры кипения концентрированной азотной кислоты (высококремнистые стали).

Основными факторами, ухудшающими свариваемость аустенитных сталей, являются следующие:

1) низкая стойкость металла шва против образования горячих трещин;

2) возможная потеря коррозионной стойкости металла;

3) усиление охрупчивания сварных соединений при эксплуатации;

4) возникновение пор в наплавленном металле.

Повышенная склонность к образованию горячих трещин связана с пониженной теплопроводностью и высоким коэффициентом теплового расширения аустенитного металла, транскристаллитным строением металла шва и наличием легкоплавких эвтектик на границах столбчатых кристаллов.

Причиной транскристаллитного строения металла шва является отсутствие структурных превращений в затвердевшем металле, поэтому кристаллы каждого последующего слоя становятся продолжением кристаллов предыдущего.

Предупреждение образования горячих трещин достигается следующими мероприятиями:

1) введением в шов второй фазы, чаще всего - феррита;

2) дополнительным легированием некоторыми элементами;

3) повышением чистоты металла по вредным примесям;

4) технологическими мерами.

В большинстве случаев для обеспечения стойкости против горячих трещин оказывается достаточно 2...5 % феррита. Большее его содержание еще повысит стойкость, но может привести к высокотемпературному охрупчиванию при эксплуатации.

Двухфазное строение металла обеспечивается его химическим составом. Для этого повышают содержание в шве элементов-ферритизаторов (Cr; Мо; Si; Ti; V; Al и др.) или ограничивают содержание элементов-аустенизаторов (Ni; С; Мn; Сu и др.). Установив предварительно состав металла шва, можно в первом приближении оценить его микроструктуру по диаграмме Шеффлера (рис.3.1).

Рис.3.1. Структурная диаграмма сварных швов

При необходимости сохранения чисто аустенитной структуры металла шва его дополнительно легируют элементами, способствующими измельчению первичной структуры (Мо, V, Ni и др.). При этом одновременно снижают содержание углерода до 0,2...0,3 %.

К технологическим мерам относят выбор рациональных способов и режимов сварки, снижающих темп нарастания деформаций в ТИХе и обеспечивающих благоприятную форму шва.

При сварке хромоникелевых сталей в металле шва, непосредственно у границы сплавления и в основном металле на некотором расстоянии от шва может наблюдаться межкристаллитная коррозия (МКК).

МКК в металле шва может быть вызвана наличием карбидов хрома на границах зерен. Создание двухфазной аустенитно-ферритной структуры в шве препятствует выпадение таких карбидов; диффузионный отжиг после сварки (850 ^оС; 2,5 ч; охлаждение на воздухе) снижает склонность металла шва к МКК.

МКК вблизи границы сплавления происходит в узкой полоске металла, нагреваемой до 1200...1250 ^оС, и называется ножевой коррозией. Обычно она наблюдается в сталях, содержащих Тi; Nв; Та, карбиды которых при нагреве до указанных температур растворяются в аустените, захватываются движущимися границами растущих зерен. Это приводит к ослаблению межатомных связей. Диффузионный отжиг и повышенные скорости охлаждения околошовной зоны значительно повышает стойкость границы сплавления.

МКК в основном металле (в ЗТВ) связывают с длительным пребыванием металла при температурах 400...850 ^оС, при которых образуются комплексные карбиды железа и хрома, обедняющие хромом периферийные участки зерен аустенита, в результате чего происходит потеря коррозионной стойкости и разрушение по границам зерен.

Наиболее эффективными мерами борьбы с МКК в этой зоне сварного соединения являются следующие:

1) закалка на гомогенный твердый раствор, в процессе нагрева при которой выпавшие карбиды хрома растворяются в аустените; в процессе последующего быстрого охлаждения фиксируется однородный аустенит;

2) стабилизирующий отжиг при 850...900 ^оС в течение 2...3 ч с последующим охлаждением на воздухе, способствующий выравниванию содержания хрома в объеме зерен;

3) термический цикл сварки должен исключать перегрев металла.

Охрупчивание металла шва и сварного соединения в процессе эксплуатации происходит под действием рабочих температур в интервале 400...550 ^оС (475-градусная хрупкость), а также в интервале 500...875 ^оС, приводящем к сигматизации с образованием хрупкой твердой составляющей. Нагрев до 1000...1150 ^оС с выдержкой в течение одного часа и последующим быстрым охлаждением приводит к исчезновению как сигматизации, так и 475-градусной хрупкости, обеспечивая дальнейшую невосприимчивость швов к воздействию опасных температур.

Наличие водорода в хромоникелевых сталях, связанное с его высокой растворимостью и незначительной скоростью диффузии в аустените, являются основной причиной образования в них пор.

Предупреждение порообразования в аустенитных швах достигается введением в зону сварки небольших количеств кислорода, который связывает водород в нерастворимые в металле соединения. Для этого к бескислородному флюсу добавляют TiO₂ (для аустенитно-ферритных швов) или высшие окислы марганца и железа (для аустенитных швов). Важным средством борьбы с пористостью является предупреждение попадания водорода в зону сварки и в металл шва.

3.5. Выбор способа сварки с учетом свариваемости стали

Существующая в настоящее время сварочная техника и уровень развития сварочного производства позволяют сваривать разнообразные металлы и сплавы различной толщины, различных составов и сочетаний.

Во многих случаях одна и та же сварная конструкция, или отдельно взятое сварное соединение могут быть изготовлены или выполнены различными способами сварки. Выбор способа сварки в каждом конкретном случае должен производиться с учетом ряда факторов, главными из которых являются свойства металла, его толщина, габариты конструкции, технико-экономические показатели технологического варианта применительно к данной конструкции.

Свойства свариваемого материала во многих случаях играют важную роль при выборе способа сварки. Так, если конструкция изготавливается из химически активных металлов, то качественные сварные соединения легче получить при сварке в вакууме, например, электронным лучом. Вакуум, являясь своего рода защитной средой практически исключает возможность дополнительного насыщения металла сварочной ванны газами. Более того, он может способствовать дегазации металла.

Сварку высоколегированных аустенитных хромоникелевых сталей в соответствии с их реакцией на сварочный нагрев предпочтительнее выполнять способами, обеспечивающими концентрированный нагрев металла и наименьшее время пребывания его в интервале температур образования горячих трещин и возникновения склонности к межкристаллитной коррозии. В этом случае эффективными оказываются ручная дуговая сварка, автоматическая под флюсом, аргонодуговая, электроннолучевая.

Назначая технологию сварки титана, его сплавов и выбирая способ сварки их, следует учитывать высокое средство титана к кислороду, азоту, водороду. Установлено, что при температурах до 400...500 ^оС окисная пленка прочно удерживается на поверхности металла и надежно предохраняет его от дальнейшего окисления. При температурах более 600 ^оС начинается растворение окислов в металле и окисление распространяется в глубь металла. Особенно активно этот процесс идет при температурах более 850 ^оС. В этой связи применяемые для сварки титана способы должны обеспечивать надежную защиту от соприкосновения с воздухом как расплавленного металла, так и остывшей части сварного соединения, имеющей температуру выше 400...500 ^оС.

Ввиду большого сродства титана к кислороду, применяемые для сварки его флюсы не должны содержать окислов. Даже прочные трудновосстанавливаемые окислы типа Al₂О₃, находясь во флюсе, вызывают окисление титана. Бескислородные флюсы для сварки титана представляют собой сплавы солей СаF₂, ВаСl₂, NаF и т.п.

Таким образом, для сварки титана и его сплавов нельзя применять способы, при которых в зоне сварки создается окислительная атмосфера или условия, способствующие насыщению жидкого металла азотом. Иначе говоря, свойства титана предопределяют возможные способы сварки его.

Для изготовления деталей в виде композиций из различных материалов, часто резко различающихся составом и свойствами и поэтому трудно поддающихся соединению, или вовсе не сваривающихся с помощью традиционных методов сварки и пайки, наиболее целесообразным и, пожалуй, единственным методом соединения является диффузионная сварка. При этом соединяемые детали могут быть обе или все изготовлены из металла, либо часть деталей (одна деталь) из металла, а другая часть (деталь) - из неметаллического материала: керамики, стекла, кварца, графита и т.п., которые невозможно качественно соединить ни одним из известных способов сварки. Например, с применением диффузионной сварки изготавливается тормозная лента трактора МТЗ-50, состоящая из металлокерамики и стали 45.

Важное значение при выборе способа сварки играют толщина свариваемого металла, габариты конструкции. Так, изготовление тонколистовых конструкций малых и средних габаритов в некоторых случаях целесообразно осуществлять с помощью контактной сварки. Для конструкций из металла средних и больших толщин следует выбирать способы сварки, характеризующиеся мощными источниками тепла: ручную дуговую, полуавтоматическую и автоматическую в защитных газах и под флюсом, а для металла толщиной более 40...50 мм - электрошлаковую сварку.

В том случае, когда свойства и толщина свариваемого металла, габариты конструкции позволяют использовать несколько способов сварки, выбор того или иного способа и варианта технологического процесса должен быть обоснован технико-экономическими расчетами.

ЛИТЕРАТУРА

1. Технология электрической сварки металлов и сплавов плавлением /Под ред.Б.Е.Патона. - М.: Машиностроение, 1974. - 768 с.

2. Теория сварочных процессов /Под ред.В.В.Фролова. - М.: Высш.шк., 1988. - 559 с.

3. Петров Г.Л., Тумарев А.С. Теория сварочных процессов. - М.: Высш.шк., 1977. - 392 с.

4. Сварка и свариваемые материалы: Справочник: В 3-х т. Т.1 /Под ред. Э.Л.Макарова. - М.: Металлургия, 1991. - 527 с.

5. Шоршоров М.Х., Чернышова Т.А., Красовский А.И. Испытания

металлов на свариваемость. - М.: Металлургия, 1972. - 240 с.

6. Сварка в машиностроении: Справочник: В 4-х т. Т.3 /Под ред. В.А.Винокурова. - М.: Машиностроение, 1979. - 567 с.

7. Макара А.М., Мосендз Н.А. Сварка высокопрочных сталей. -Киев: Техника, 1971. - 140 с.

8. Красовский А.И. Основы проектирования сварочных цехов. - М.: Машиностроение, 1980. - 319 с.

9. Шоршоров М.Х., Белов В.В. Фазовые превращения и изменения свойств стали при сварке: Атлас. - М.: Наука, 1972. - 219 с.

10. Багрянский К.В., Добротина З.А., Хренов К.К. Теория сварочных процессов. - Киев: Вища школа, 1976. - 424 с.

Дата добавления: 2014-01-06