Классификация способов сварки - Технологическая прочность и свариваемость металлов
Подробности- Подробности
- Опубликовано 25.05.2012 15:54
- Просмотров: 30964
Технологической прочностью материала называют его способность воспринимать без разрушения напряжения и деформации, возникающие в процессе обработки. При сварке низкая технологическая прочность металла приводит к образованию трещин в металле шва и в зоне термического влияния. Различают два основных вида трещин: горячие и холодные.
Горячие трещины Горячие трещины образуются в процессе первичной кристаллизации, поэтому их называют иногда кристаллизационными трещинами. Выделяющиеся из затвердевающего металла примеси образуют легкоплавкие прослойки между кристаллитами. В то же время при охлаждении металла его объем уменьшается, в нем возникают растягивающие напряжения. Пока прослойки между кристаллитами еще жидкие, под действием этих напряжений кристаллиты легко смещаются относительно друг друга. Но при последующем охлаждении прослойки примесей затвердевают. Их прочность в это время значительно ниже прочности металла кристаллитов, прослойки разрушаются, образуются трещины. Отсюда вытекают три внешних признака горячих трещин, по которым их можно определить при внешнем осмотре сварного шва. Вопервых, горячие трещины всегда располагаются по границам зерен, значит, они не прямолинейные, а извилистые. Во-вторых, они могут образовываться, только если металл хотя бы частично расплавляется, значит, они могут располагаться только в металле шва или около шовной зоны. В-третьих, они образуются при высоких температурах, значит, поверхность металла внутри трещины окисляется на воздухе и в изломе трещины должны быть видны цвета побежалости. Склонность металла сварного соединения к образованию горячих трещин зависит от химического состава металла шва, формы шва и режима сварки, определяющего скорость охлаждения металла. Некоторые из легирующих элементов (например, хром) могут уменьшать, а некоторые (например, никель) - увеличивать склонность металла к горячим трещинам. Для сталей и жаропрочных сплавов влияние основных элементов можно оценить приближенно по отношению эквивалентного содержания хрома Сгэ и никеля Ni3: Сгэ = Сг + Мо + 2А1 + 2Ti + Nb | W | 0,5Та + l,5Si; Ni31 Ni +30С + 12В + Со + 0,5Мп. Здесь суммируются процентные содержания легирующих элементов в данной стали или сплаве. Если Сгэ/ Ni3 > 1, то данный материал не склонен к образованию горячих трещин, и наоборот. . Следовательно, для повышения технологической прочности можно регулировать состав металла шва, выбирая электродный или присадочный металл, содержащий больше легирующих элементов, увеличивающих Сгэ, если это не ухудшит заданные свойства сварного соединения. Форма шва определяет преимущественное расположение ликвационных прослоек между столбчатыми кристаллитами по отношению к растягивающим напряжениям, возникающим при усадке металла, а также величину этих прослоек. Узкий шов с глубоким проплавлением наиболее склонен к образованию горячих трещин. Столбчатые кристаллиты в нем растут навстречу друг другу, образуя в центре шва обширную ликвационную прослойку, которая расположена поперек преимущественного направления напряжений. При увеличении коэффициента формы шва \|/ (см. подразд. 1.4.1), при увеличении ширины шва с той же глубиной проплавления кристаллиты располагаются под углом к оси шва и смыкаются только в верхней его части. Ликвационные прослойки невелики и расположены под углом к направлению напряжений. Стойкость такого шва против горячих трещин увеличивается, но при дальнейшем увеличении коэффициента формы шва вновь может снизиться, так как увеличиваются размеры ликвационных прослоек. Оптимальна форма шва с коэффициентом \|/ = 3...7. Уменьшить склонность сварных швов к горячим трещинам можно, уменьшая скорость сварки. При этом уменьшается скорость охлаждения, напряжения в металле нарастают медленнее, металл межкристаллитных прослоек успевает деформироваться без разрушения, трещины не образуются. Тот же эффект можно получить, подогревая детали перед сваркой до температуры 300... 400 °С. Наиболее эффективное средство борьбы с горячими трещинами это создание в сварочной ванне условий для образования мелкозернистой структуры с минимальной химической неоднородностью. Способы создания такой структуры рассмотрены в разд. 1.4.
Холодные трещины Холодные трещины образуются в процессе вторичной кристаллизации при температуре от 200 °С и вплоть до комнатной температуры. При такой температуре в металле уже произошли основные фазовые превращения, металл приобрел присущие ему механические свойства. Если в это время в нем появятся внутренние напряжения, которые, возрастая, превысят предел его прочности, то металл разрушится - образуются трещины. Появление в металле таких критических напряжений объясняется двумя причинами: увеличением объема металла при фазовых превращениях и выделением водорода из твердого металла. Первая причин а связана с разностью удельных объемов образующихся при вторичной кристаллизации фаз. Например, у аустенита он составляет 0,1275 см3/г, а у прочного, но малопластичного мартенсита - 0,1310 см3/г. При сварке закаливающихся сталей исходная твердая фаза - аустенит - при охлаждении почти полностью распадается, превращаясь в другие фазы, в том числе и в мартенсит. Металл при Щ этом увеличивается в объеме, как бы разбухает. Основные превращения Л: происходят при температурах выше 400 °С, горячий металл пластичен, ^ напряжений в нем не возникает. Чем больше скорость охлаждения, тем больше образуется мартенсита, происходит закалка, но в то же время больше остается аустенита, не успевшего распасться при высоких температурах. Его превращение в мартенсит медленно продолжается при низких температурах, при которых металл приобрел высокую прочность, но стал хрупким. Теперь в результате увеличения объема возникают и накапливаются внутренние напряжения, образуются трещины. Вторая причин а возникновения внутренних напряжений связана с различной растворимостью водорода в твердом и жидком металле. В процессе сварки ванна жидкого металла интенсивно растворяет водород. При затвердевании металла в твердой фазе образуется избыток водорода, его атомы выделяются из раствора и, скапливаясь в микропустотах и несплошностях сварного шва, образуют молекулы. Количество водорода в этих несплошностях растет, давление в них увеличивается, в окружающем металле возникают и накапливаются напряжения, образуются трещины. Оба эти процесса протекают медленно, холодные трещины могут образовываться спустя несколько часов или даже дней после сварки. Холодные трещины можно отличить от горячих по внешнему виду. Они образуются при низких температурах, когда межкристаллитные прослойки приобрели достаточную прочность. Поэтому трещины проходят как по границам, так и по телу зерна. Они ровные, не извилистые. Их излом белый, блестящий, окисление его поверхности не происходит. Располагаются холодные трещины как в металле шва, так и в зоне термического влияния, на участках, где происходили фазовые превращения с образованием твердой и хрупкой структуры. Склонность металла сварного соединения к образованию холодных трещин зависит от химического состава свариваемого металла, а также от режима и условий сварки, определяющих скорость охлаждения металла и возможность попадания водорода в сварочную ванну. Легирующие элементы, способствующие возникновению закалочных структур, увеличивают склонность сталей к холодным трещинам. Их совокупное влияние можно определить по эквивалентному содержанию углерода Сэ как сумму их концентраций в данной стали в процентах с учетом коэффициентов влияния: Стойкость против холодных трещин хорошая при Сэ < 0,25, удовлетворительная при Сэ = 0,25...0,45 и плохая при Сэ > 0,45. Увеличить стойкость сварного соединения против холодных трещин можно, изменяя параметры режима сварки так, чтобы уменьшить скорость охлаждения металла, уменьшая тем самым опасность возникновения хрупкого закаленного участка в зоне термического влияния. Для этого можно выбирать режим сварки с повышенной энергией, увеличивая мощность источника тепла или уменьшая скорость сварки. Применяют подогрев изделия после сварки или сопутствующий подогрев во время сварки, например газовой горелкой, высокочастотным индуктором, либо второй сварочной дугой. Мелкие детали после сварки можно укладывать в ящик с песком. Детали из сталей с плохой стойкостью против холодных трещин подвергают после сварки общей термообработке (отпуску) в печах. Для уменьшения количества водорода в сварочной ванне надо тщательно контролировать и просушивать электроды, газы, флюсы и другие вспомогательные сварочные материалы, а также кромки свариваемых деталей, не допуская попадания влаги в зону сварки. Для предупреждения образования как холодных, так и горячих трещин надо уменьшать жесткость деталей, изменяя их конструкцию. Например, вместо массивных деталей лучше применять тонкостенные, выполненные из листа или профильного проката. Это уменьшит скорость охлаждения и позволит снизить внутренние напряжения, возникающие в металле при сварке за счет свободной деформации нежесткой детали. Свариваемость металлов Одно из важных технологических свойств металлов - это их свариваемость, под которой понимают способность данного металла или сочетания разнородных металлов образовывать сварное соединение, удовлетворяющее эксплуатационным требованиям к изделию. Для разных видов сварки свариваемость одного и того же металла может быть различной. Поскольку требования к сварному изделию различны и многообразны, различными могут быть и показатели свариваемости и способы ее определения. Из их числа можно выделить три основные группы испытаний на свариваемость. Это определение стойкости металла шва к образованию горячих трещин, определение стойкости сварного соединения к образованию холодных трещин и проверка служебных характеристик сварного соединения. Испытания на определение стойкости металла к образованию горячих трещин производят на специальных установках, в которых сваривают образцы, принудительно деформируя их с различной скоростью во время сварки. О стойкости против трещин судят па критической скорости деформирования, при которой появляются трещины. Более простой способ испытаний - сварка жестких образцов технологической пробы различных конструкций. Примером могут служить тавровая проба с ребрами жесткости и кольцевая проба (рис. 17). Сначала сваривают шов 7, затем шов 2. О сравнительной стойкости испытываемого металла и пригодности режима сварки судят по отсутствию или наличию трещин в шве 2 и по их суммарной длине. Для определения стойкости сварного соединения к образованию холодных трещин также применяют два вида испытаний. Это способы количественной оценки склонности к трещинам путем нагрева и охлаждения образцов с различными скоростями при одновременном их деформировании в специальных машинах и технологические пробы, которые позволяют производить оперативные испытания. Наиболее распространены технологическая крестовая проба и проба Кировского завода (рис. 18). На крестовой пробе в указанной последовательности а накладывают четыре шва.
Комментарии
RSS лента комментариев этой записи