Технологическая свариваемость сталей и других металлов и сплавов, и факторы ее определяющие. Методы испытания материалов на свариваемость и определение свойств сварочных материалов.
Совокупность свойств металла, определяющих чувствительность к термическому циклу сварки и способность образовывать сварное соединение со свойствами, удовлетворяющими требованиям надежности конструкции при эксплуатации, называют технологической свариваемостью.
Разница между металлами, обладающими хорошей или плохой свариваемостью, состоит в том, что последние должны свариваться по более сложной технологии, например с предварительным и сопутствующим подогревом, с обязательной последующей термообработкой и т.д.
О технологической свариваемости металлов и сплавов надо судить не только в связи с их свойствами, но также учитывать размеры конструкции, ее назначение, расположение и условия работы швов, т.е. при оценке свариваемости должна учитываться теснаявзаимосвязь материалов, конструкции и технологии сварки.
Первым видом испытаний свариваемости является определение стойкости против образования горячих трещин.
К образованию горячих трещин склонны однофазные сплавы, например аустенитные стали и никелевые сплавы. Значительно повышается их сопротивляемость образованию горячих трещин в случае наличия в металле второй фазы (обычно феррита, иногда карбидов). Ферритная фаза измельчает структуру, лучше растворяет вредные примеси, дополнительно скрепляет аустенитные зерна.
Технологическая проба для определения стойкости металла шва против образования горячих трещин производится путем сварки контрольного – углового шва 1 (рис.1) таврового соединения с ребрами жесткости. Контрольный шов сваривается на оптимальном режиме, применяемом для данной толщины металла и марки стали. Выявление трещин производят путем внешнего осмотра шва, а также осмотра излома после разрушения шва или по макрошлифам, вырезанным из шва. Метод позволяет получить лишь качественную характеристику стойкости против образования горячих трещин. Аналогично проверяется и стыковой шов в закрепленной на жестком основании пластине.
Метод МВТУ (рис. 2) позволяет количественно определить стойкость металла против горячих трещин. Специальные образцы с поперечным или продольным швами в процессе сварки растягивают с постоянной скоростью и определяют критическую скорость деформации, вызывающую образование трещин.
Рис. 1. Технологическая проба для испытаний на стойкость против образования горячих трещин
Рис. 6.11. Метод МВТУ
Вторым видом испытания свариваемости является определение стойкости металла против образования холодных трещин.
К образованию холодных трещин склонны мартенситные и мартенсита- ферритные стали.
Испытания проводятся путем сварки или наплавки специальных образцов различной степени жесткости и при различной скорости охлаждения околошовной зоны. Для примера приведем пробу ЦНИИТМАШ (рис.3) и образцы, имитирующие реальное сварное соединение (рис.4).
После этого осуществляется деформирование контрольного шва посредством наложения многослойного (до 12 слоев) шва с обратной стороны пластины, выполненного в разделке глубиной 20–25 мм. Шов выполняют с охлаждением водой после наложения каждого слоя. Обследованием макрошлифов серии образцов с различным количеством слоев в деформирующем шве устанавливают наличие трещин в районе надреза поперек контрольного шва. Оценка осуществляется по 5-бальной системе (высший 5-й балл при отсутствии трещин при 12-слойном деформирующем шве).
Образцы, имитирующие реальное сварное соединение (рис.4) сваривают на трех режимах, характеризуемых максимальной, средней и минимальной для данного способа погонной энергией. Иногда образцы предварительно охлаждают и сварку их производят при отрицательных температурах. Осмотр образцов осуществляется через 5–20 суток, что способствует более полному выявлению трещин.
Рис.4. Образцы, имитирующие реальное сварное соединение.
При проведении лабораторных исследований кроме методов испытаний, позволяющих установить тот или иной критерий оценки пригодности стали для изготовления сварных конструкций, применяют также комплексные методы испытаний чувствительности стали к термическому циклу сварки. В качестве примера можно привести валиковую пробу.
Валиковая проба состоит в том, что на пластины испытуемой стали производят наплавки валиков (рис. 6.13) на режимах, отличающихся друг от друга погонной энергией (обычно 5 – 6 режимов). Пластины, на которые делается наплавка могут быть составными т.е. собранными из брусков в специальном зажимном приспособлении.
Рис. 6.13. Валиковая проба.
После наплавки и воздушного охлаждения валики сострагивают заподлицо с поверхностью основного металла и бруски в слесарных тисках отделяют друг от друга. Из брусков изготавливают образцы для испытаний на ударный и статический изгиб, замеров твердости, металлографических исследований.
В результате испытаний определяют оптимальный диапазон скоростей охлаждения околошовной зоны при сварке.
Классификация сталей по свариваемости.
По свариваемости стали подразделяют на три группы:.
хорошо сваривающиеся - стали, сварка которых может быть выполнена без дополнительных технологических операций(Марки сталей: ВСт2, 10ХСНД). Сэкв<0,25%.
Ограниченно сваривающиеся- стали, при сварке склонные к орупчиванию( образованию мартенсита и бейнита). Для предупреждения образования трещин рекомендуется предварительный подогре, а также последующая термообработка (Марки сталей: ВСт3, 30,14ХГС). Сэкв=0,25-0,45%.
Трудно сваривающиеся - стали, наиболее склонные к образованию трещин. Это обусловлено переходом примесей в металл шва из основного метала и подкалкой. Эти стали свариваются ограниченно, поэтому дополнительные технологические мероприятия обязательны.(Марки сталей: 15Х12ВНФМ, 20Х13,15Х11МФ). Сэкв>0.45%.
Цветные металлы и их сплавы отличаются большим сродством к кислороду. Оксиды этих материалов более тугоплавки чем основной металл, а вряде случаев более легкоплавки. Все цветные металлы по сравнению со сталями значительно интенсивнее растворяют газы воздуха атмосферы и нтенсивнее взаимодействуют с ними химически. Все это и ряд других свойств накладывает отпечаток на особенности технологии их сварки.