Регулирование термического цикла сварки.

Регулировать сварочный термический цикл можно путем изменения режима сварки. Для большинства марок среднелегированных сталей определения 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 наиболее высокую стойкость сварного соединения против образования холодных трещин, приведен на рис. 6-21.

Практическое осуществления циклов, близких к идеальному, при дуговой сварке сопряжено с применением весьма малопроизводительных режимов сварки, предварительного, сопутствующего и последующего подогревов. Следовательно, осуществление идеального цикла требует больших затрат труда и средств. При электрошлаковой сварке этот цикл вовсе не осуществим. В практике термические циклы, близкие к идеальным, применяют редко. Задача технолога-сварщика состоит в том, чтобы изыскать более производительные и менее дорогие методы борьбы с холодными трещинами, чем получение идеального термического цикла сварки.

Для повышения стойкости сварных соединений против образования холодных трещин необходимо замедлять охлаждение сварного соединения ниже точки А₁ с целью смещения превращения переохлажденного аустенита в область высоких температур, а также предупреждать развитие перегрева в околошовной зоне и возникновение грубой столбчатой структуры в металле шва. Наиболее просто и экономично можно замедлить охлаждения скорости сварки. Однако при этом развивается перегрев металла шва становится более грубой. Кроме того, не всякое замедление обеспечивает получение в сварных соединениях необходимой вторичной структуры, повышающей стойкость соединения против образования холодных трещин.

Влияние термического цикла на стойкость против образования холодных трещин следует определять с учетом особенностей превращения переохлажденного аустенита в металле сварного соединения. Рассмотрим термокинетические диаграммы, описывающие превращения аустенита при непрерывном охлаждении для двух типов среднелегированной стали 1 и 2. Сталь 1 отличается от стали 2 пониженной восприимчивостью к закалке и повышенной стойкостью против образования трещин при сварке (рис. 10-5).

Термокинетические диаграммы строят в координатах время-температура превращения. В этих координатах наносят семейство кривых охлаждения и на каждой кривой отмечают точки, соответствующие началу и концу превращения и на каждой из характерных областей. Соединение этих точек линиями позволяет ограничить обдасти превращения аустенита при непрерывном охлаждении. Ход превращения изучают дилатометрическим или магнитометрическим методом в сочетании с металлографическим исследованием образцов, подверженных закалке с определенной температуры. В последнее время для этой цели успешно применяют также и метод высокотемпературной металлографии.

На рис. 10-5 нанесены три кривые охлаждения, соответствующие режимам многослойной ручной дуговой сварки толстого металла (кривая 1), многослойной сварки под флюсом толстого металла на мощных режимах (кривая 2) однопроходной электрошлаковой сварки толстого металла (кривая 3). При сварке стали типа 1 превращение проходит в основном в мартенситной области только при охлаждении по кривой 1. При охлаждении этой стали в соответствии с кривыми 2 и 3 превращение смещается соответственно в бейнитную и ферритоперлитную области.

В сварных соединениях из сталей типа 1 отколы образуются только при сварке на первом режиме. В соединениях, выполненных на режимах, соответствующих кривым 2 и 3, трещины возникают только при неблагоприятных условиях. При сварке стали типа 2 превращение переохлажденного аустенита проходит полностью в мартенситной области при охлаждении по кривым 1 и 2; при охлаждении по кривой 3 превращение аустенита захватывает бейнитную область. При сварке стали типа 2 на режимах по кривым 1 и 2 возникают отколы, причем образование трещин при сварке на режиме по кривой 2 может быть даже большим, чем при сварке на режиме по кривой 1. В случае сварки на режиме по кривой 3 трещины возникают только при неблагоприятных условиях.

Следовательно, повышение погонной энергии сварки обычно целесообразно в случае сравнительно низколегированных сталей типа 1. При этом замедление охлаждения ниже точки А₁ сопровождается благоприятными изменениями в ходе превращения переохлажденного аустенита, т. е. приводит к образованию структуры металла, способствующей повышению стойкости сварных соединений против образования трещин. Для сталей типа 1 благоприятное влияние этих изменений преобладает над отрицательным влиянием, обусловленным развитием перегрева при повышении погонной энергии сварки.

Для сталей типа 2 повышение погонной энергии сварки может быть даже вредным. Благоприятных структурных изменений, обусловленных смещением превращения переохлажденного аустенита в область высоких температур, при этом может не быть, а отрицательное влияние перегрева проявится более резко. Для сталей типа 2 целесообразны только режимы сварки, обеспечивающие значительно замедленное охлаждение сварных соединений в области температуры ниже точки А₁ (например при электрошлаковой сварке), когда и в этих сталях происходит смещение превращения переохлажденного аустенита в область более высоких температур и получает особо существенное развитие самоотпуск мартенсита непосредственно в процессе охлаждения соединения. В рассматриваемом случае процесс самоотпуска развивается вследствие значительного замедления охлаждения соединения при температурах порядка 300-150˚ С. Длительность пребывания сварного соединения при температурах 300-150˚ С в случае однопроходной электрошлаковой сварки в десятки раз больше, чем в случае дуговой многослойной сварки толстого металла.

Если стойкость сварных соединений против образования холодных трещин настолько низка, что избежать их появления путем соответствующего выбора режима сварки не удается, в отдельных случаях прибегают к регулированию термического цикла путем предварительного и сопутствующего подогревов свариваемых кромок. Особо высокую стойкость против образования трещин можно получить, применяя предварительный подогрев до температуры 200-300˚ С и режимы сварки с низкой погонной энергией. Соблюдение этих условий приближает реальный мир термический цикл сварки к идеальному.

Однако для широко применяемых среднелегированных сталей даже большой толщины достаточную стойкость против образования холодных трещин можно получить при использовании подогрева до температуры 150-200˚ С и сравнительно высоких режимов сварки. Так, например, в случае автоматической сварки под флюсом сталей, приведенных в табл. 10-7, подогрев до температуры 200˚ С оказывается достаточным для предупреждения холодных трещин.

Предварительный подогрев свариваемых кромок целесообразно осуществлять с помощью индукторов, питающихся электрическим током промышленной частоты. Соединения из металла сравнительно небольших толщин можно подогревать газовым пламенем. При сварке металла средних и больших толщин в ряде случаев образование холодных трещин можно предотвратить путем разогрева области шва до температуры 100-150˚ С в процессе наложения слоев с минимальным перерывом между ними, а также применяя каскадный и блочный приемы сварки. В этом отношении весьма эффективна также многодуговая автоматическая сварка в защитных газах при большом расстоянии между дугами.

Оптимальный термический цикл сварки, при котором для стали данного состава обеспечивается отсутствие холодных трещин и малопластичных структур в околошовной зоне, можно также определять расчетным путем. Расчет режима сварки ведут для того, чтобы обеспечивать завершение превращения аустенита в перлитной области с образованием стойких против холодных трещин структур.

Однако такой расчет весьма приближенный, так как основан на экспериментальных данных о превращениях переохлажденного аустенита, не учитывающих особенностей, вносимых в это превращение сваркой. В частности, важны особые условия аустенизации и воздействия временных напряжений и т.п. К тому же режим такого рода можно пытаться рассчитывать только для сталей, отличающихся низкой восприимчивостью к закалке, когда изменением режима можно перевести превращение в перлитную область. Для сталей, у которых при всех практически осуществимых режимах сварки превращение проходит в основном в мартенситной области, нельзя выдерживать основное условие расчета и, следовательно, нельзя рассчитывать требуемый режим сварки.

Регулирование временных напряжений. Структуру и свойства сварных соединений из среднелегированных сталей, в частности их стойкость против образования холодных трещин, можно в определенных пределах изменять, регулируя нарастание в них при охлаждении временных сварочных напряжений. Если при охлаждении соединения эти напряжения достигают определенной величины при температурах, предшествующих развитию бейнитного и мартенситного превращения, то эти превращения смещаются в область высоких температур. В результате стойкость сварных соединений против образования холодных трещин повышается.

Рассмотрим теперь вопрос о том, как практически можно регулировать напряжения в процессе сварки с целью повышения стойкости соединений против образования холодных трещин.

Наиболее простой и надежный способ такого регулирования состоит в выборе химического состава металла шва. От него зависят коэффициент линейного расширения, характер и объемный эффект структурных превращений. Эти факторы оказывают существенное влияние на развитие временных напряжений в процессе сварки.

Второй способ регулирования временных напряжений заключается в установлении рациональной последовательности выполнения отдельных швов в сварной конструкции (узле). Сущность его поясним на примере образования трещин в отдельных швах технологической крестовой пробы, применяемой для оценки сопоставляемости соединений холодным трещинам (см. рис. ). Швы этой пробы по нарастанию стойкости против образования холодных трещин в околошовной зоне расположены в следующий ряд 1, 3, 2, 4. В такой же последовательности они расположены и по жесткости закрепления соединения пластин перед сваркой. Шов 1 сварен при свободных пластинах, а шов 4 – при наибольшей жесткости их закрепления ранее выполненными швами.

Рисунок

Применение сварочных проволок с возможно более низкой температурой плавления. При сварке плавлением околошовная зона нагревается до температур, близких к температуре плавления. В этих условиях в пограничных со швом зернах металла развивается высокотемпературная химическая неоднородность и наблюдается подплавление границ. Это подплавление приводит к образованию особого вида дефектов – надрывов. При последующем остывании соединения надрывы служат очагами возникновения холодных трещин.

Очевидно, что в том случае, когда температура плавления металла шва ниже температуры плавления основного металла, создаются условия для «залечивания» (заполнения) надрывов жидким металлом и соответствующего снижения опасности образования трещин.

Характерный пример залечивания надрыва на кромках среднелегированной стали аустенитным металлом шва показан на рис. .

Рисунок

Высокая стойкость соединений легированных сталей с аустенитным и бейнитно-мартенситным швами против образования холодных околошовных трещин может быть обусловлена не только интенсивным нарастанием в них временных напряжений, как это было показано выше, но и низкой температурой плавления сварочных проволок.

Уменьшение содержания водорода в основном металле и в металле шва. Понижение содержания водорода весьма эффективно предупреждает образование холодных трещин. Отрицательное влияние водорода наиболее сильно проявляется при сварке сталей с относительно низким содержанием углерода и легирующих элементов и соответственно низкой склонностью к образованию закалочных трещин.

Например, понижение содержания водорода в металле шва в 1,5-2 раза приводит к двукратному повышению стойкости соединений против образования трещин при сварке под флюсом стали 25ХГСА и весьма небольшому ее повышению при сварке стали 42Х2ГСНМА. Оценку стойкости сварных соединений против образования холодных трещин производили по кривым замедленного разрушения. Соответствующие кривые замедленного разрушения для сопоставляемых соединений приведены на рис. 10-15 (а- сталь 42Х2ГСНМА и б – сталь 25ГСА).

Термообработка сварных соединений сразу же после окончания сварки. Термообработку следует производить в период момента окончания сварки до момента, пока еще холодные трещины не возникли. В одних случаях это время составляет несколько десятков часов, в других – несколько минут.

Своевременная термообработка соединений может полностью устранить опасность образования холодных трещин. Дело в том, что закаленные стали после отпуска, особенно высокого, практически не снижают прочности при длительном статическом нагружении, т.е. они становятся несклонными к замедленному разгрушению. Термообработку соединений сразу же после сварки после сварки можно осуществить при помощи индукционного или пламенного или пламенного нагрева или же наложением дополнительного слоя с применением соответствующего режима сварки. Индукционный или пламенный нагрев сравнительно просто осуществить для соединений небольших толщин простой формы.

Для соединений больших толщин сложной формы, в которых наиболее вероятно образование трещин, целесообразнее обработка путем наложения дополнительного, так называемого отжигающего слоя. Сущность этого способа состоит в том, что многослойная сварка шва осуществляется с применением специальных режимов, обеспечивающих термообработку нижележащего слоя и околошовной зоны при наложении последующего слоя, близкой к высокому, но весьма кратковременному отпуску.

Положительный эффект достигается и в том случае, когда нижележащий слой околошовной зоны подвергается закалке, но без перегрева. Двухслойный стыковой шов, в котором второй слой обеспечил полную перекристаллизацию участка крупного зерна околошовной зоны от первого слоя, показан на рис. 10-16, а. Это соединение отличается от обычного (рис. 10-16, б) значительно большей стойкостью против околошовных трещин.

Если время до возникновения трещин измеряется часами, то возможно предотвратить образование трещин, прибегая к обычной печной термообработке.

Предварительная наплавка кромок. Сущность способа состоит в том, что перед сваркой на кромки наплавляют слой аустенитного или ферритного металла. Способ позволяет предупредить образование околошовных трещин типа отколов вследствие благоприятного напряженного состояния на границе раздела металл шва – основной металл. При сварке шва наплавленная околошовная зона может подвергаться отпуску, что также уменьшает опасность образования трещин.

Применение наплавки кромок позволяет осуществить и полную термообработку деталей с наплавленными кромками и полностью устранить неблагоприятные структурные изменения в околошовной зоне даже в том случае, когда термообработка после сварки невозможна или затруднена. Наплавка кромок металлом того же состава, что и основной металл, или переплав кромок неплавящимся электродом также значительно повышают стойкость соединений против образования отколов. В этом случае положительное влияние наплавки обусловлено мелкодисперсным распределением в переплавленном металле неметаллических включений и благоприятным изменением их формы и химического состава. Предварительная наплавка кромок является весьма трудоемким и дорогим способом предупреждения трещин и поэтому редко применяется.

Прочие методы борьбы с холодными трещинами.Кроме описанных выше хорошо проверенных методов борьбы с холодными трещинами известны и разрабатываются еще и такие.

А. Проковка сварных соединений с помощью пневматических устройств и обработка их ультразвуком сразу же после окончания сварки, что позволяет в сварных соединениях ослаблять пиковые значения напряжений 1-го и 2-го родов.

Б. Понижение температуры сварных соединений ниже 0⁰ С сразу же после их остывания до комнатной температуры (замораживание соединений). Положительный эффект замораживания следует связывать с повышением сопротивляемости закаленного металла локальным пластическим деформациям, ответственным за зарождение и развитие трещин. Следует, однако, иметь в виду, что после размораживания трещины снова образуются даже с большей интенсивностью, чем до замораживания. Указанный способ целесообразно применять лишь в некоторых специфических условиях, например, для консервации мелких сварных деталей до термообработки.

В. Предупреждение увлажнения сварных соединений после окончания сварки. Из специальных опытов, а также из практики известно, что наличие влаги на сварных соединениях значительно повышает опасность образования в них холодных трещин. В осенне–зимний период, а также при сварке на открытом воздухе, когда вероятность увлажнения соединений значительно увеличивается, взрастает и опасность образования холодных трещин. Под влиянием влаги микродефекты шва и особенно околошовной зоны становятся очагами зарождения и развития холодных трещин.