Свариваемость. Общие понятия

Свариваемость. Общие понятия Свариваемость — комплексная технологическая характеристика металлов и сплавов, выражающая реакцию свариваемых материалов на процесс сварки и определяющая техническую пригодность материалов для выполнения заданных сварных соединений, удовлетворяющих условиям эксплуатации. Свариваемость (ГОСТ 26001-84) – свойство металлов и сочетания металлов образовывать при установленной технологии сварки соединение, отвечающее требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией изделия. При определении понятия свариваемости необходимо различать физическую, технологическую и эксплуатационную свариваемость. Физическая или металлургическая свариваемость определяется процессами, происходящими на границе соприкасания свариваемых деталей при различных физико-химических методах соединения металлов. На границе соприкасания соединяемых деталей должны произойти физико-химические процессы (диффузия, образование раствора, рекристаллизация, кристаллизация металла шва, химическое соединение и т. д.), в результате которых образуется прочное неразъемное соединение. Протекание физико- химических процессов при этом определяется свойствами соединяемых металлов. Свариваемые материалы могут иметь одинаковые и неодинаковые химический состав и свойства. Однородные материалы (одного химического состава) с одинаковыми свойствами обладают физической свариваемостью. Сваривание неоднородных материалов может не произойти, если они не в состоянии обеспечить протекание физико-химических процессов, т. е. если они не обладают физической свариваемостью. Под технологической свариваемостью понимается возможность получения сварного соединения определенным способом сварки. Основными показателями технологической свариваемости являются стойкость расплавленного металла при сварке против образования горячих трещин и изменения в металле под действием термического цикла сварки. Технологическая свариваемость устанав1 ливает оптимальные режимы сварки, способы сварки, технологическую последовательность выполнения работ, обеспечивающие получение требуемого сварного соединения. Данные эксплуатационной свариваемости определяют конкретные области и условия допустимого применения материалов в сварных конструкциях и сварных изделиях. Основные показатели (критерии) свариваемости металлов и их сплавов: − окисляемость металла при сварочном нагреве, зависящая от его химической активности; − сопротивляемость образованию горячих трещин; − сопротивляемость образованию холодных трещин при сварке; − чувствительность металла к тепловому воздействию сварки, которая характеризуется склонностью металла к росту зерна, структурными и фазовыми изменениями в шве и зоне термического влияния, изменением прочностных и пластических свойств; − чувствительность к образованию пор; − соответствие свойств сварного соединения заданным эксплуатационным требованиям, к таким свойствам относят: прочность, пластичность, выносливость, ползучесть, вязкость, жаростойкость и жаропрочность, коррозионную стойкость и др. Трещины в сварных соединениях сталей 1.3.1. Горячие трещины Г о р я ч и е т р е щ и н ы — хрупкие межкристаллические разрушения металла шва и околошовной зоны, возникающие в твердо-жидком состоянии в процессе кристаллизации, а также при высоких температурах в твердом состоянии. При кристаллизации жидкий металл шва сначала переходит в жидкотвердое, а затем в твердожидкое и, наконец, в твердое состояние. 2 В твердожидком состоянии образуется скелет из кристаллитов затвердевшего металла (твердой фазы), в промежутках которого находится жидкий металл, который в таком состоянии обладает очень низкой деформационной способностью и малой прочностью. Когда металл полностью закристаллизуется, его пластичность и прочность возрастают. Температурный интер- вал, в котором металл находится в твёрдо- жидком состоянии, характеризующийся очень низкой прочностью и пластичностью, называют температурным интервалом хрупкости (ТИХ). При охлаждении одновременно с процессами кристаллизации в этом температурном интервале в связи с усадкой шва и линейным сокращением нагретого металла в шве начинают накапливаться внутренние деформации, которые приводят к образованию горячих трещин. Горячие трещины могут образовываться как вдоль, так и поперек шва (рис. 23). Наличие в сплаве избыточного количества серы и кислорода способствует появлению горячих трещин. Наличие трещин в сварных соединениях недопустимо, поэтому рассмотрим основные причины их возникновения и меры по предупреждению трещин. Образование горячих трещина сварных швах связано: • со скоростью процесса кристаллизации. Установлено, что в процессе нагрева источником тепла в сварных соединениях возникают значительные пластические деформации сжатия, а при охлаждении появляются упругие напряжения растяжения, что приводит к поперечному и продольному укорочению металла в соединении. Если в процессе сварки создаются условия, при которых в металле шва во время его кристаллизации при высоких температурах возникнут 3 деформации укорочения, превышающие его деформационную способность, то в металле шва возникнут горячие трещины. • с видом кристаллической структуры (крупнозернистая, мелкозер- нистая) и степенью развития внутрикристаллической ликвации металла шва. Естественно, чем более крупнозернистой будет структура металла шва, тем интенсивнее будут протекать явления зональной и междендритной ликвации и тем больше будет склонность металла шва к горячим трещинам. • химическим составом металла шва. Он оказывает решающее влияние на стойкость шва против образования горячих трещин. Образование горячих трещин тем вероятнее, чем больше в металле элементов, способствующих образованию легкоплавких эвтектик и химических соединений, располагающихся при кристаллизации по границам зерен и затвердевающих в последнюю очередь при относительно низких температурах. Сера, углерод и другие элементы, образующие прослойки легкоплавких эвтектик, увеличивают склонность металла шва к образованию горячих трещин. Марганец повышает стойкость металла шва против образования горячих трещин, так как марганец связывает серу в тугоплавкое соединение. Поэтому чаще всего применяют технологические и металлургические меры по уменьшению склонности швов к образованию горячих трещин: 1) применение режимов сварки, обеспечивающих получение более благоприятной формы шва; 2) уменьшение доли участия основного металла в металле шва (разделка кромок, присадочный материал); 3) использование основного и сварочного материалов с минимальным содержанием серы, фосфора, углерода и с достаточным содержанием марганца; 4) введение в шов модификаторов (титан, алюминий и др.), измельчающих первичную структуру металла шва. Для оценки свариваемости металлов по критерию сопротивляемости горячим трещинам применяют два основных вида испытаний — сварку технологических проб и машинные способы испытаний. 4 В технологических пробах сваривают узел или образец заданной жесткости. Пригодность материала, электродов, режимов сварки оценивают по появлению трещины и ее длине. Примером технологических проб может служить кольцевая проба и тавровая проба с ребрами жесткости. Сначала сваривают шов 1, затем 2, визуально определяют появляется ли трещина во втором шве. В машинных методах испытаний растягивают или изгибают образец во время сварки. Эта внешняя (машинная) деформация имитирует сварочную деформацию. Склонность материалов оценивают по критической величине или скорости деформирования, при которых возникает трещина. Чем выше скорость деформирования (темп деформации), при которой образуется трещина, тем выше сопротивляемость материала образованию горячих трещин при сварке. Для оценки стойкости металла шва против образования кри- сталлизационных трещин часто применяют контрольный химический анализ. Проба для анализа отбирается от реального сварного соединения или от специально сваренного образца. Методика отбора проб для химического анализа определяется ГОСТ 7122-44. О стойкости металла шва против кристаллизационных трещин судят по содержанию в нем вредных примесей (главным образом углерода и серы). РАСЧЕТНЫЕ СПОСОБЫ ОЦЕНКИ СТОЙКОСТИ СТАЛЕЙ ПРОТИВ ОБРАЗОВАНИЯ ТРЕЩИН ПРИ СВАРКЕ Для расчетной оценки склонности сталей к образованию горячих и холодных трещин при сварке используются параметрические уравнения, составленные по результатам регрессионного анализа. Эти уравнения справедливы для группы сталей с содержанием легирующих элементов в определенном пределе. Как правило, они не учитывают примеси в сталях, наличие микролегирующих элементов. В большинстве методик не учтены условия и способов сварки, параметры ее режимов. Расчетные способы применяют для приближенных экспресс-оценок на первом этапе проектирования технологии. Отдельные методики расчета целесообразно использовать и на следующих этапах. Например, при выбранном спо5 собе и режимах сварки, сварочных материалов необходимо определить химический состав металла шва и по показателю Уилкинсона оценить стойкость его против образования горячих трещин. Результаты расчетов используют для принятия и обоснования принятых решений на всех последующих этапах разработки технологии сварки. Оценка склонности сталей к образованию горячих трещин при сварке: 1. Склонность легированных сталей (с суммарным содержанием легирующих элементов не более 10%) к горячим трещинам при сварке оценивают по показателю Уилкинсона HCS = (C[S+P+Si/25+Ni/100]1000)/(3Mn+Cr+Mo+V) (1) При сварке сталей с пределом прочности не более 700 МПа при HCS<4,0 горячие трещины не появляются. Для высокопрочных сталей (σВ ≥ 700 МПа) HCS<1,6....2,0; при наплавке легированных сталей горячие трещины не образуются, если HCS<1,7....2,0. ПРИМЕРЫ: σВ  700МПа 12ХМ, 15ХМ; 09Г2, 09Г2С, 09Г2СД, 16Г2АФ, 14Г2АФ, 14Г2САФ (их прочность oв = 560 – 600 МПа). σВ ≥ 700МПа 38ХВФЮ, 15Х2ГН2ТА, 30ХГСНА, 40ХГСН3ВА, 30Х5МСФА 2. Для оценки трещинообразования высоколегированных хромоникелевых аустенитных сталей и сплавов рассчитывают отношение CrЭ/NiЭ = (Cr+1,37Мо+1,5Si+2Nb+3Ti)/(Ni+3,31Mn+22C+14,2N+Cu) (2) Если это отношение более 1,5 при суммарном содержании серы и фосфора не более 0,02%, то горячие трещины при сварке не появятся. При CrЭ/NiЭ<1,5 и Р+S = 0,02% вероятно появление горячих трещин при сварке рассматриваемой хромоникелевой стали или сплава. Аустенитные стали: 12Х18Н9; 12Х18Н9Т; 04Х18Н10; 10Х14Г14Н3 6 Полученные результаты расчета используют при выборе способа сварки и сварочных материалов. Если рассматриваемая сталь имеет склонность к горячим трещинам при сварке, то недопустимо применение способов сварки, при которых металл шва формируется только из основного металла (например, сварка неплавящимся электродом без присадочной проволоки). Для сварки используют сварочные проволоки с повышенным содержанием легирующих элементов, снижающих склонность металла шва к горячим трещинам (марганца, хрома, молибдена при сварке легированных сталей), и с низким содержанием элементов (углерода, серы, кремния, при сварке легированных сталей), повышающих вероятность появления трещин. Для предупреждения появления горячих трещин в околошовной зоне и в случаях, когда по условиям эксплуатации сварного соединения химический состав металла шва близок к основному металлу, при разработке технологии необходимо предусмотреть комплекс специальных технологических мероприятий. 1.3.2. Холодные трещины Холодные трещины – локальные хрупкие разрушения материала сварного соединения, возникающие под действием собственных сварочных напряжений. Холодные трещины являются типичными дефектами сварных соединений из среднелегированных и высоколегированных сталей перлитного и мартенситного классов. В связи с тем, что при сварке таких сталей металл шва обычно подбирают с меньшим содержанием элементов, способствующих переохлаждению аустенита, то холодные трещины наиболее часто поражают околошовную зону, реже металл шва. Холодные трещины в сварных соединениях на сталях обычно образуются в том случае, если при охлаждении аустенит околошовной зоны и металла шва пе7 реохлаждается, и превращение -железа в  -железо протекает достаточно быстро, завершаясь при температуре ниже 200° С. Металл, претерпевший такой термический цикл, будет иметь тетрагональную мартенситную структуру, очень твердую и хрупкую, объем которой будет больше исходной  -структуры. Образованию холодных трещин в закаливающихся сталях способствует не только переохлажденный аустенит, но и водород, поступающий в околошовную зону из металла шва. Водород растворяется в жидком металле в атомарном состоянии. Водород, который зафиксирован в зоне сварного соединения, при падении температуры ниже 200 °С переходит из атомарного состояния в молекулярное, что сопровождается высоким давлением газа, которое активно проявляется в области перегрева зоны термического влияния в основном тогда, когда в ней образуется мартенсит. Холодные трещины, как правило, зарождаются по истечении некоторого времени после окончания сварки, а затем на протяжении нескольких часов и даже суток распространяются как вдоль, так и поперек околошовной зоны, а иногда и шва. Такой характер разрушения - результат совместного действия в сварном соединении тепловых, сварочных и структурных напряжений, крупнозернистого игольчатого строения мартенсита и заметного снижения пластических свойств металла в связи с растворением в нем водорода. Предупредить образование холодных трещин в сварных соединениях можно: 1) применением предварительного и сопутствующего подогрева при сварке; 2) использованием сварочных материалов с минимальным содержанием водородопроизводящих компонентов; 3) выбором оптимального режима сварки и правильной последовательности наложения швов; 4) проведением термической обработки соединения сразу же после сварки и рядом других мер. 8 Оценка склонности легированных сталей к образованию холодных трещин при сварке − повышенное содержание водорода в сварных швах, который усиливает неблагоприятное действие первых двух главных причин. Для оценки свариваемости металлов по критерию сопротивляемости холодным трещинам применяют, как и при оценке сопротивляемости горячим трещинам, два вида испытаний — технологические пробы и методы количественной оценки с приложением к образцам внешней механической нагрузки. Преимуществом технологических проб является возможность моделировать технологию сварки и, следовательно, судить о сопротивляемости образованию трещин в условиях, близких к реальным. Проба представляет собой жесткое сварное соединение. Стойкость материала оценивают качественно по наличию или отсутствию трещин. Примерами проб могут служить крестовая проба и проба Кировского завода (рис. 25). В крестовой пробе цифрами показана последовательность наложения швов. В наиболее жестких условиях находится последний 1-й шов, где и воз- можно образование трещин. Испытание стойкости металла околошовной зоны против трещин следует проводят на металле наиболее применяемой в данном случае толщины при максимальном содержании элементов, снижающих стойкость металла против образования трещин (углерод, сера, кремний и др.). Образцы обычно свариваются на трех режимах, характеризуемых макси9 мальной, средней и минимальной для данного способа сварки погонной энергией. Осмотр образцов производится через 5—20 суток после сварки, что способствует наиболее полному выявлению трещин. Для испытания обычно применяются специальные образцы или образцы, имитирующие реальные сварные соединения. Существует ряд других технологических проб, в которых имитируют жесткие узлы сварных конструкций. Общим недостатком технологических проб является отсутствие количественных показателей стойкости металла, так как пробы дают только качественный ответ — образуется или не образуется трещина. Количественным критерием оценки сопротивляемости сварного соединения образованию холодным трещинам являются минимальные внешние напряжения, при которых начинают возникать холодные трещины при выдержке образцов под нагрузкой, накладываемой сразу же после сварки. Внешние нагрузки воспроизводят воздействие на металл собственных сварочных и усадочных напряжений, которые постоянно действуют сразу после сварки при хранении и эксплуатации конструкции. Холодные трещины в сварных соединениях легированных сталей обусловлены образованием в ОШЗ малопластичных закалочных структур (мартенсита, нижнего бейнита), наличием в металле шва диффузионно подвижного водорода и величиной внутренних растягивающих усилий (жесткость соединения). Расчетные способы: Предварительная оценка свариваемости сталей ОЦЕНКА ПО ЭКВИВАЛЕНТУ УГЛЕРОДА Эквивалент углерода показывает степень влияния отдельных легирующих элементов на образование закалочных структур. МИС рекомендует определять эквивалент углерода: С экв = С + Mn 20 + Cr 10 + Mo 10 + V 10 + 10 Ni 15 Сэкв ≤ 0,25% - сталь не склонна к образованию ХТ и сваривается без подогрева. Сэкв  0,30% сталь склонная к образованию ХТ и сваривается с подогревом от 25 до 1250С. Сэкв  0,35% сталь склонная к образованию ХТ и сваривается с подогревом от 50 до 1750С. Сэкв  0,4% сталь склонная к образованию ХТ и сваривается с подогревом от 75 до 2000С. Сэкв  0,45% сталь склонная к образованию ХТ и сваривается с подогревом от 100 до 2250С. 2. Оценка с учетом структурных превращений и жесткости изделия (по Д. Сефериану) Д.Сефериан предложил оценивать склонность стали к холодным трещинам по полному эквиваленту углерода С = Сх (1 + 0,005δ), % где [С]х – химический эквивалент углерода, он определяется по формуле Сх = 360С + 40(Mn + Cr) + 20Ni + 28Mo ,% 360  - толщина свариваемых листов, мм. Появление холодных трещин вероятно при [С] 0,4 …0,45%. 3. Оценка по параметрам трещинообразования Параметры трещинообразования учитывают влияние на процесс появления холодных трещин в сварных соединениях всех (трех) основных факторов 3.1. Параметр Ито-Бессио:  Н К Р w = Pсм + + 60 4  10 5  (  ,%  ) где Pсм – показатель, учитывающий влияние структурных превращений в ОШЗ, он рассчитывается по формуле Pсм = C + Si / 30 + (Mn + Cr + Cu) / 20 + Ni / 60 + (Mo + V) / 15 + 5B, % Н – количество диффузионного водорода в металле шва, определенного методом с применением глицерина, мл/100 г. Если количество диффузионного водорода определено по методике МИС (с использованием ртути), то 11 Н = 0,64Н мис − 0,93, мл/100 г. К – коэффициент интенсивности жесткости. Для приближенных вычислений коэффициент интенсивности жесткости стыковых соединений толщиной до 150 мм принимают равным К = 0,69, где  толщина свариваемых листов, мм. Сталь склонна к образованию холодных трещин, если параметр ИтоБессио Pw  0,286. Количество диффузионного водорода Нмис в зависимости от выбранного способа сварки при расчетах параметров трещинообразования принимают (при отсутствии данных) по таблице Количество диффузионного водорода в металле шва Способ сварки Нмис, мл/100 г Сварка в защитных газах (СО2, Ar, в смесях газов) Очищенной проволокой (технология контролиру- 2-7 Неочищенной проволокой (технология не кон- 6-12 ется) тролируется) Сварка под флюсом: Очищенной проволокой под прокаленным флю- 5-10 сом (технология контролируется) Неочищенной проволокой, флюс непрокален 10-25 (технология не контролируется) Полученные результаты расчета используют на всех последующих этапах проектирования технологии (при выборе и обосновании способов сварки, сварочных материалов, при выборе параметров режима сварки и т.д.). 12 РАСЧЕТ ТЕМПЕРАТУРЫ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО ПОДОГРЕВА По параметрическим уравнениям для расчетной оценки склонности легированной стали к холодным трещинам при сварке рассчитывают температуру предварительного подогрева. Из уравнения Ито-Бессио эта температура равна Т 0 = 1440Р w − 392 , 0С. По Д.Сефериану T0 = 350 C − 0,25 , 0С. Пример расчета: Исходные данные: Сталь 30ГХС Химический состав стали: углерода 0,24%, кремния 0,99%, марганца 0,83%; хрома 0,93%; никеля 0,17%; серы 0,019%; фосфора 0,025%. Толщина свариваемых листов 10 мм. Сварка под флюсом, односторонняя, однопроходная. Расчетная погонная энергия сварки 30 Дж/см. Расчет 1. Показатель Уилкинсона (определение склонности к появлению горячих трещин) HCS = [0,24(0,019 + 0,025 + 0,99/25 +0,17/100)1000]/[3 0,83 + 0,93] = 5,98 HCS  4,0, следовательно, сталь склонна к горячим трещинам. Для предупреждения появления горящих трещин в металле шва необходимо использовать сварочные проволоки с меньшим содержанием углерода и кремния (условия эксплуатации не требуют химического состава металла шва аналогично основному). Желательно дополнительно легировать металл шва марганцем, хромом, ванадием, молибденом. Для снижения доли участия основного металла целесообразно выполнять сварку с разделкой кромок (или гарантированным зазором). 13 2. Оценка по эквиваленту углерода (определение склонности к появлению холодных трещин) С экв = С + Mn 20 + Cr 10 + Mo 10 + V 10 + Ni 15 Рассчитываем и сопоставляем с критериями, делаем вывод о склонности стали к появлению холодных трещин. 3. Расчет параметра трещинообразования Ито-Бессио: Рсм = 0,24 + 0,93/30 + (0,83+0,93)/20 + 0,17/60 = 0,364. Допуская, что на предприятии возможны нарушения технологической дисциплины, примем Нмис = 25 мл/100 г. Таким образом, параметр Ито-Бессио равен: Pw = 0,364 + (0,64 25 – 0,93)/60 – 69 10/(40 104) = 0,455. Рw  0,286, следовательно, при сварке данной стали вероятно появление холодных трещин. Учитывая, что сталь склонна к горячим и холодным трещинам, принимаем решение о назначении предварительного подогрева. 4.Расчет температуры предварительного подогрева По уравнению Д.Сефериана температура равна [C] = 0,445(1 + 0,005 10) = 0,467% Т0 = 350 0,467-0,25 = 163 0С. Из уравнения Ито-Бессио Т0 = 1440 0,455 – 392 = 263 0С. Эти результаты не позволяют однозначно назначить температуру предварительного подогрева. В таких случаях используют расчет по другим методикам. Таким образом, результаты расчетной оценки позволяют утверждать, что при односторонней однопроходной сварке под флюсом стали рассматриваемого химического состава толщиной 10 мм вероятно появление горячих и холодных трещин. Для предупреждения их образования необходимо использование предварительного подогрева свариваемых изделий. 14