Сварных соединений

Хладостойкость сварных соединений в основном определяется мар-кой основного металла. Однако присадочные материалы, технология изго- товления сварных соединений, их конструктивное выполнение также в значительной мере определяют поведение сварных конструкций при низких температурах.

Химический состав металла шва зависит от состава присадочного металла, степени его смешивания с основным металлом, легирования эле-ментами и выгорания их при сварке, защиты зоны расплавленного металла. Свойства металла шва также зависят от способа сварки, погонной энергии сварки, характера эксплуатации, температуры изделия и окружающей среды при сварке и других факторов. При определении приемлемого варианта получения шва обычно проводят совокупную оценку влияния всех факторов, оптимизируя отдельные из них.

Наиболее простой способ сравнительной оценки свойств – испыта- ние на ударную вязкость с определением как абсолютного уровня вязкости металла при температуре выше порога хладноломкости, так и самого тем-пературного порога хладноломкости Т_кр.1. Верхним порогом хладнолом- кости считается температура, при которой полностью исчезают в изломе образцов хрупкие участки.

На рисунке 7.4 приведен пример, когда оптимизация условий сварки шва (погонной энергии) проводилась по верхнему порогу хладноломкости.

1– сварка при Т = 20⁰С; 2 – сварка при Т = - 45⁰С

Рисунок 7.4 – Верхние пороги хладноломкости металла шва при

сварке электродами УОНИ -13/45

Естественно, что при изменении условий сварки одновременно изменяются химический состав шва и его кристаллизация. Лучшие результаты получены при погонной энергии сварки от 1800 до 2400 кДж/м.

Термический цикл сварки, определяющий скорость охлаждения сва- рного соединения, весьма существенен для зон термического влияния. Удовлетворительные свойства этих зон при неизменном составе основного металла могут быть получены только за счет рационального термического цикла, зависящего от погонной энергии и скорости сварки. Он способен вызвать рост зерна, закалку металла, его старение, отпуск и т.д. Одни и те же условия сварки неоднозначно влияют на порог хладноломкости шва и околошовных зон двух близких по составу сталей -Ст.3сп и 20(рис.7.5)[18].

Отрицательное влияние термического цикла сварки на свойства ме -талла шва и околошовных зон можно уменьшить, применяя подогрев или последующую термическую обработку сварного изделия.

Рисунок 7.5 – Влияние погонной энергии сварки на расположение верхних

порогов хладноломкости металла шва при сварке

электродами УОНИ 13/45 (1), зоны рекристаллизации стали

Ст.3сп (2), зоны рекристаллизации стали 20 (3)

Для сталей, чувствительных к термическому циклу сварки, в особен-ности если металл сваривается в термически обработанном состоянии, в первую очередь необходимо оптимизировать условия сварки по термичес-кому влиянию на околошовную зону, а затем, в случае недостаточно высо-ких свойств металла шва, улучшать их соответствующим выбором приса-дочных материалов.

Пластические деформации металла и деформационное старение от- носятся к наиболее сильным отрицательным факторам, вызывающим хруп-кость металла при понижении температуры в случае, если они происходят в неблагоприятно ориентированных концентраторах напряжений, распо-ложенных в зоне нагрева от сварки. К неблагоприятно ориентированным относятся концентраторы, плоскость которых перпендикулярна направле-нию главной деформации удлинения. Например: непровары в перпенди- кулярно пересекающихся стыковых швах, непровары в корне многослой-ных швов, где концентрируются пластические деформации по мере нало-жения слоёв; стыки двух несваренных между собой элементов, пересекае-мых перпендикулярными швами; концы фланговых швов в зоне перехода стержневого элемента к косынке; места остановки процесса сварки, в ко-торых возник непровар, плоскость которого перпендикулярна оси шва; места пересечения соединений с не полностью проваренными швами. К неблагоприятно ориентированным концентраторам относятся также линии перехода от шва к основному металлу и непровары в тех случаях, когда на некотором небольшом расстоянии от них параллельно укладываются короткие швы, поперечная местная усадка которых вызовет концентрацию пластических деформаций.

Пластические деформации создаются, как правило, вследствие усад- ки металла или при его изгибе. Пластическая деформация в концентра то-ре, накопленная при температуре, когда металл находится в вязком состо-янии, отрицательно сказывается затем в случае работы металла при низкой температуре. Если низкоуглеродистую или низколегированную сталь, склонную к деформационному старению, после пластической деформации нагревать до 200…300°С, то происходит заметное увеличение их хрупкос-ти. Подобный эффект возникает, если пластические деформации происхо-дят непосредственно при температуре 200…300°С в процессе сварки. Та-кое явление условно называют динамическим старением.

На рисунке 7.6 приведены результаты испытаний на растяжение стали 15ХСНД. Регистрировалось среднее разрушающее напряжение s_ср.р и средняя разрушающая деформация _ср.р в ослабленном сечении.

1 – исходное состояние; 2 – после старения;

3 – после старения и отпуска при Т = 650^оС

Рисунок 7.6 – Влияние деформационного старения и последующего отпуска на пластичность(а )и прочность(б) образцов из стали

15ХСНД с надрезами

В первом случае на образцах при комнатной температуре выполня- лась прокатка средней части вдоль образца для создания пластической де-формации около 1% (возле дна надреза возникала существенно большая пластическая деформация). Затем образцы проходили старение при

Т = 250°C в течение 3 часов. Старение вызвало дополнительное снижение средней пластической деформации приблизительно на 2%, а s_ср.р при тем-пературе Т < - 40°C становилось ниже предела текучести s_0,2. Последую-щий отпуск образцов при Т = 650^оС в течение 3 часов устраняет вредное влияние старения.

Во втором случае (рис. 7.7) по кромке образца из стали 22К про-изводилась наплавка валика. Сварочная пластическая деформация вызы- вала в корне надреза динамическое старение непосредственно в процессе сварки. Это привело к снижению _ср.р во всем диапазоне температур и сдвигу Т_кр.2 приблизительно в область от –30 до – 40°C. Последующий от-пуск восстановил прочность и пластичность.

1 – исходное состояние;

2 – после наплавки по кромке;

3 – после наплавки и высокого отпуска при Т = 650^оС

Рисунок 7.7 – Влияние деформационного старения и последующего отпуска на пластичность (а) и прочность (б) надрезанных образцов

из стали 22К

Форма сварных соединений в случае вязкого состояния металла и отсутствия дефектов при однократном нагружении не является причиной разрушения сварных конструкций при средних напряжениях, меньше рас-четных или близких к ним, но при хрупком или квазихрупком состоянии металла может оказаться достаточной причиной для того, чтобы произош-ло разрушение через концентрацию напряжений. Опасность тех или дру-гих конструктивных форм зависит от степени хрупкости металла. Так как количествен-ные соотношения еще не установлены, то можно лишь ука-зать порядок возрастания опасности разрушения. Наименьшую концентра-цию имеет стыковое соединение с плавным переходом от шва к основному металлу. Затем следуют соединения с угловыми швами с полным прова-ром. Нахлёсточные соединения, когда швы работают как лобовые или фланговые, уже имеют значительную концентрацию напряжений, но бла-годаря высоким пластическим свойствам металла шва и относительно не-большим размерам катетов это обычно не является причиной хрупких разрушений. Наибольшую опасность представляют стыковые и тавровые соединения с неполным проваром. Опасность разрушения при тех или иных формах соединения зависит от радиусов закругления и абсолютных размеров элементов, которые принимают участие в сварном соединении. Чем меньше радиусы и больше размеры свариваемых деталей, тем опаснее концентратор. В нахлёсточных соединениях широких элементов с косын-ками даже радиус закругления, формируемый концом флангового шва, может оказаться достаточным для начала хрупкого разрушения основного металла при низких температурах.

Дефекты сварных соединений: несплавления, трещины, плоские по форме шлаковые включения, острые подрезы, места пересечения швов с участками расслоения металла, мелкие невидимые трещины в угловых швах нахлёсточных соединений, непроваренные места остановки процесса сварки, а также вырезы с маленькими радиусами после термической резки, неплавные переходы корневых валиков к основному металлу в много- слойных швах, глубокие неровности от чешуйчатости поверхности шва, сильные сужения швов из-за нарушения режима сварки- способны вызвать разрушение при низких температурах.

Опасность хрупкого разрушения также зависит от условий эксплу- атации. Одной из причин подобного рода является усталость металла. Про- является она двояко. На первой стадии из-за циклических нагрузок в зоне концентрации напряжений возникает усталость металла и появляются ми-кротрещины. На этой стадии нет еще видимых трещин, однако сопротив-ляемость металла началу разрушения понижается. При ударном нагруже-нии снижается работа начала разрушения – это увеличивает скорость рас-пространения трещины, повышает критическую температуру хрупкости. Позднее, на второй стадии, появляются трещины усталости, которые явля- ются опасными концентраторами, так как, достигнув критических разме-ров, вызовут внезапное разрушение сварной конструкции. Число разруше-ний оборудования растет по мере увеличения их срока службы и вызвано как накоплением усталости в металле, так и появлением усталостных мик-ротрещин.

На сопротивляемость хрупкому разрушению сварных конструкций кроме усталости отрицательно влияют также старение (изменение свойств металла в процессе продолжительного его пребывания при высоких темпе-ратурах), наводороживание и радиация. Эти факторы уменьшают вязкость металла и повышают критические температуры.