 |
5.4. Основные мероприятия по повышению сопротивляемости образованию трещин при сварке металлов и сплавов
|
|
|
|
5. 4. Основные мероприятия по повышению сопротивляемости образованию трещин при сварке металлов и сплавов
Химический состав расплава, позволяющий уменьшить ТИХ и увеличить пластичность металла шва, может быть получен путём максимально возможного снижения содержания серы и фосфора, а в некоторых случаях и углерода (особенно при сварке среднеуглеродистых сталей), введение модификаторов – циркония, титана, ванадия и ниобия, способствующих измельчению зерна, а также создания диффузионной структуры (например, аустенитно-ферритной при сварке ряда высоколегированных сталей).
Сварку сталей, склонных к образованию горячих трещин, следует выполнять на малой эффективной погонной энергии (малой силе тока) валиками небольшого сечения, при этом необходимо обращать внимание на форму проплавления однопроходного шва (или валика). Коэффициент формы проплавления (отношение ширины сварочной ванны к глубине проплавления основного металла) должен находиться в пределах 1, 5…5. При слишком малом коэффициенте проплавления столбчатые кристаллы металла шва растут навстречу друг другу и встречаются торцами, на поверхности которых вследствие ликвации находятся в повышенном количестве примеси, в том числе сера и фосфор. Иногда следует использовать предварительный подогрев до температуры 150…400оС или применять рациональную последовательность наложения валиков шва (например, вести сварку каскадом), что позволяет отдалить момент возникновения чрезмерных растягивающих напряжений и снизить скорость охлаждения и нарастания деформаций. В ряде случаев положительный эффект даёт сварка на пониженной скорости.
|
|
|
При сварке крайне жёстких конструкций из углеродистых, низколегированных и легированных сталей появление горячих трещин можно избежать, используя электроды, предназначенные для сварки разнородных сталей, особенно с высоким содержанием никеля в наплавленном металле, обеспечивающим получение металла шва с пластичной аустенитной структурой.
Горячие трещины, образующиеся при сварке некоторых сталей в ЗТВ, своим происхождением обязаны тем, что на границах зёрен этих металлов собираются поверхностно-активные элементы, в том числе вредные примеси. В результате на межзёренных границах появляются легкоплавкие прослойки и включения. Под воздействием теплоты сварочной дуги они оплавляются с образованием трещин при наличии достаточных растягивающих напряжений. Снизить появление горячих трещин в ЗТВ при ручной дуговой сварке данных сталей можно, применяя режимы сварки с минимальной эффективной погонной энергии.
Многие стали, особенно конструкционные высокой прочности и теплоустойчивые, при ручной дуговой сварке склонны к образованию холодных трещин. Предотвратить их образование можно следующими мерами:
- снижением общей жёсткости сварного узла или конструкции (что обычно требует серьёзного изменения конструктивных решений, которые трудно осуществить);
- снижением диффузионного водорода в металле шва посредством максимального уменьшения количества влаги, способной попадать в зону дуги при сварке (высокотемпературная прокалка электродов с основным покрытием перед сваркой с последующим размещением электродов в термопеналах и пеналах-термосах, тщательная очистка свариваемых кромок и прилегающего к ним металла от ржавчины и других загрязнений и пр. );
- связыванием образующегося при сварке водорода в нерастворимые в жидкой стали соединения (например, фтористый водород);
|
|
|
- использованием продолжительного (10…12 ч) нагрева сварных соединений при температурах 150…200оС непосредственно после окончания сварки (термический отдых), способствующего выходу водорода в окружающую атмосферу;
- применением технологии сварки, исключающей получение в недопустимом количестве хрупких закалочных структур за счёт снижения скорости охлаждения металла шва и ЗТВ после сварки, что достигается посредством увеличения эффективной погонной энергии, а также (притом особенно) – подогревом металла и контролем теплового режима сварки.
Лекция № 6 (2 часа)
6. НАПРЯЖЕНИЯ И ДЕФОРМАЦИИ ПРИ СВАРКЕ. ПРИЧИНЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ ПРИ СВАРКЕ. МЕРЫ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ И СНИЖЕНИЯ СВАРОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ
 |
6. 1. Причины возникновения напряжений и деформаций при сварке
Рис. 6. 1. Схема возникновения напряжений и деформаций в металлическом стержне при его нагреве и охлаждении: а – стержень в свободном состоянии; б – в защемлённом состоянии; в – в закреплённом состоянии; I – исходное состояние; II – при нагреве; III – после охлаждения (1 – стержень; 2 – жёсткий каркас; знаками (+) и (-) показано действие напряжений соответственно растяжения и сжатия)
Если стержень в свободном состоянии (рис. 6. 1а) нагреть до некоторой высокой температуры, то он достаточно заметно удлинится на величину Δ l в соответствии с формулой
Δ l = α lΔ T,
где α – коэффициент линейного расширения; l –начальная длина стержня; Δ T – разность между начальной и конечной температурами стержня.
После охлаждения стержень восстанавливает свою первоначальную длину l. При нагреве до температуры Т того же стержня, но помещённого в каркас (рис. 6. 1б), не позволяющий ему в результате термического расширения изменяться на величину Δ l, происходит необратимая пластическая деформация сжатия стержня, в результате чего при охлаждении он становится короче на величину Δ l1. Естественно, что пластические деформации начинают происходить, когда напряжение сжатия, развивающееся в стержне при его нагреве, достигает предела текучести металла.
|
|
|
Если теперь стержень жёстко связать с каркасом и лишить его возможности укорачиваться при охлаждении с температуры Т на величину Δ l1, то в стержне будут развиваться растягивающие напряжения (рис. 6. 1в). Одновременно в вертикальных элементах каркаса, непосредственно препятствующих укорочению стержня, под действием развивающейся в нём усадочной силы возникают напряжения сжатия.
Остаточные напряжения и деформации разной степени возникают также при структурных превращениях металла в зоне термического влияния сварного соединения. Возникновение такого состояния обусловлено тем, что в металле появляются участки с ярко выраженным изменёнными объёмами, например, мартенситное превращение сопровождается значительным его увеличением. Такое местное изменение объёма металла при сохранении размеров рядом расположенных участков и приводит к возникновению внутренних структурных напряжений.
При сварке тонкого листа (до 5…6 мм) проявляются преимущественно большие деформации, а напряжения малы. Сварка металла средней толщины (до 16…20 мм) сопровождается также существенными деформациями, при этом с увеличением толщины в большей степени начинают проявляться сварочные напряжения.
При сварке толстого металла (более 16…20 мм) основным фактором является возникновение значительных напряжений, деформации при этом невелики.
Возникающие при сварке напряжения относятся к разряду собственных напряжений, т. е. напряжений, существующих в конструкциях при отсутствии внешних нагрузок.
Собственные сварочные напряжения классифицируются по следующим признакам:
- по времени существования – временные сварочные напряжения, существующие лишь в определённый момент времени нестационарного процесса нагрева и остывания, и остаточные сварочные напряжения, остающиеся после полного остывания конструкции;
|
|
|
- по направлению действия напряжений – продольные, направленные параллельно оси сварного шва, и поперечные, направленные перпендикулярно к оси шва.
Продольные напряжения возникают от продольной пластической деформации укорочения металла шва и прилегающих слоёв основного металла.
Поперечные напряжения возникают от поперечной деформации металла шва и прилегающих зон металла из-за разновременного охлаждения их по длине и сечению.
В зависимости от причины, вызвавшей появление напряжений, различают температурные напряжения, обусловленные неравномерным распределением температуры по сечению свариваемого элемента; напряжения, возникшие вследствие пластического деформирования металла; структурные напряжения, связанные со структурными превращениями металла в районе сварного соединения.
Температурные напряжения образуются всегда, но после полного остывания исчезают. Структурные напряжения возникают при сварке многих легированных сталей и сплавов, особенно склонных к закалке и старению с образованием малопластичных составляющих, значительно отличающихся по физическим свойствам от основы металла. Они могут развиваться не только при сварке, но и после её окончания.
Как и напряжения, сварочные деформации бывают временными и остаточными, а по направлению действия – продольными (параллельно оси шва) и поперечными (перпендикулярно к оси шва). В свою очередь, временные и остаточные деформации можно разбить на две группы в зависимости от того, на какую часть конструкции они распространяются:
- деформации, вызывающие искажение формы и размеров всего сварного элемента или конструкции, получили название общих сварочных деформаций (рисунок 6. 2). К ним относятся изменения линейных размеров и искривлений осей конструкции в продольном (от действия продольных напряжений) и поперечном (от действия поперечных напряжений) направлениях;
- деформации, распространяющиеся только на отдельные свариваемые элементы конструкции, называют местными сварочными деформациями (рисунок 6. 3). К ним относятся деформации отдельных элементов от потери устойчивости (коробление) и угловые деформации (поворот сечений, грибовидность, «домики», ребристость). Угловые деформации обуславливаются, главным образом, неравномерной поперечной усадкой по толщине листа и по сечению металла шва, особенно при переходе последнего из жидкого состояния в твёрдое состояние.
 |
Рис. 6. 2. Общие сварочные деформации плоской конструкции с продольными таврами и поперечными рёбрами жёсткости:
|
|
|
Δ l – продольное укорочение; Δ b – поперечное укорочение; f1 и f2 – стрелы прогиба соответственно в продольном и поперечном направлениях
 |
Рис. 6. 3. Разновидность местных сварочных деформаций: а – угловая деформация стыкового соединения (поворот сечений); б – угловая деформация таврового соединения (грибовидность); в – «домики» стыкового соединения; г – ребристость; д – деформация тонкого листа вследствие потери устойчивости (хлопуны)
|
|
|
