Регулирование термического цикла сварки

Регулировать сварочный термический цикл можно путем изменения режима сварки. Для большинства марок среднелегированных сталей опре­деление оптимальных режимов сварки позволяет резко повысить стой­кость сварных соединений против образования холодных трещин и в ряде случаев полностью устранить их возникновение.

Идеальный термический цикл, обеспечивающий наивысшую стойкость против образования холодных трещин, приведен на рис. 3.1. При идеальном термическом цикле перегрев не развивается вследствие быстрого нагрева и охлаждения металла при темпера­турах выше точки А₁.

Рис.3.1

Медленное охлаждение при температурах ниже точки A₁ способствует развитию в со­единениях из среднелегированных сталей перлитного и промежуточных превращении переохлажденного аустенита в околошовной зоне и устранению или смещению мартенситного превращения в область высоких температур. Повышению стойкости против образования холодных трещин способствует весьма активное замедлен­ное охлаждение сварного соединения в области, температур мартенситного превращения (ниже 350°С). В результате самоотпуска мартенсита при этих температурах упорядочивается кристаллическое строение металла в объемах, примыкающих к границам зерен, повышается плас­тичность металла в целом и затрудняется возникновение и развитие холодных трещин.

Для данной группы сталей подогрев при сварке практически не сникает скорости охлаждения металла зоны термического влияния до значений, меньших ω_кр. Более того способствует росту зерна, что способствует снижению деформационной способности и приводит к возникновению холодных трещин. Поэтому такие стали, как правило, сваривают без предварительного подогрева, но с использованием спе­циальных технологических приемов, обеспечивающих увеличение вре­мени пребывания металла шва и околошовной зоны в субкритическом интервале температур и "автотермообработку" закаленных зон участ­ков, прилегающих к шву. Время пребывания околошовной зоны в интервале субкритических температур можно увеличить путем выполнения сварки блоками, короткими или средней длины участками, а также путем использования специальных устройств, подогревающих выполнен­ный шов и тем самым увеличивающих время пребывания его в определен­ном температурном интервале.

Особенность термического цикла многослойной сварки указанными методами состоит в том, что теплота второго и последующих слоев не позволяет металлу околошовной зоны 1-го слоя охладиться ниже определенной температуры. После сварки 2-го и последующих слоев околошовная зона охлаждается значительно медленнее, чем после сварки одного 1-го слоя.

Рис. 3.2.Термический цикл металла ОШЗ при многослой­ной сварке

короткими участ­ками: а) т.1, б) т.2

При наложении 1-го слоя температура точки 1 резко возрастает, превышая температуру Ас₃, а затем резко падает. В момент, когда темпера­тура в т.1 понизится до допустимого значения Тв (Тв>Ти), тепловая вол­на от наложения 2-го слоя осуществит повторный нагрев металла околошовной зоны 1-го слоя, но до температуры более низкой, чем при сварке 1-го слоя.

При сварке 3-го слоя снова происхо­дит некоторый подогрев, причем по мере выполнения последующих слоев температурные воздействия ослабевают и процесс стремится к установившемуся температурному состоянию.

По окончании сварки металл околошовной зоны медленно охлаждается.

Для увеличения времени пребывания металла околошовной зоны при температуре выше точки мартенситного превращения накладывают так называемый отжигающий валик, границы которого не выходят за пределы металла шва и тем самым не нагревают подверженный закалке металл околошовной зоны до температуры выше Ас₃. Наплавка отжигающего ва­лика увеличивает время пребывания металла околошовной зоны в субкритическом интервале температур с t_в до t_в1.

При многослойной сварке короткими участками необходимо знать длину участка ℓ, при которой температура ОШЗ до прихода тепловой волны от каждого последующего слоя не успевает понизиться ниже допустимой величины Т_кр . Она может быть определена по сле­дующей формуле:

, (4.1)

где:

q – эффективная мощность источника;

v -скорость сварки см/с;

δ – толщина свариваемого металла, см;

k - коэффициент, учитывающий тип сварного соединения; определяется пу­тем сопоставления расчетной температуры охлаждения 1-го слоя с опытной: для стыкового соединения k = 1,5; при тавровом и внахлест­ку k = 0,9; при крестовом соединении k = 0,8;

k_г – коэффициент горения дуги. т.е. отношение времени горения дуги к полному времени сварки участка с учетом перерывов; для РДС k_г = 0,6÷0,8, при полуавтомати­ческой сварке в среде CO₂ k_г = 0,8÷0,9;

Т_кр - допустимая температу­ра охлаждения °С, которую принимают на 50-l00°C выше температуры мартенситного превращения М_н;

Т₀ - температура подогрева изделия перед сваркой, °С;

Однако, если сваривается среднелегированная сталь с повышенным содержанием углерода, то даже при многослойной сварке короткими участками практически не удается избежать закалки металла ОШЗ на мартенсит, так как длительность распада аустенита значительно боль­ше, чем время пребывания металла при температурах выше температур мартенситного превращения в процессе сварки. В этом случае необходимо, чтобы объемные изменения, сопутствующие образованию мартен­сита, не могли привести к появлению трещин до того, как он будет отпущен, т.е. чтобы температура зоны закалки в процессе сварки не опускалась ниже 120-150°С. Это условие можно удовлетворить расче­том соответствующей длины участка по выше приведенной формуле.

При наложении последующих слоев необходимо также обеспечить "автотермообработку" (отпуск) всего металла на участке зоны терми­ческого влияния, закаленного при сварке предыдущего слоя.