книги / Сварка при низких температурах

И с п о л ь з о в а н и е к е р а м и ч е с к и х ф л юс о в . Сварка сталей с повышенным содержанием углерода сопряжена с боль­ шими трудностями, объясняющимися главным образом появлени­ ем горячих трещин в шве и образованием закалочных структур в металле околошовной зоны. Труднее всего избавиться от горячих трещин, так как образование закалочных трещин в околошовной зоне относительно легко устраняется применением предваритель­ ного подогрева либо использованием соответствующего термиче­ ского цикла сварки. При содержании углерода в металле шва свы­ ше 0,16—0,20%, как показали исследования в Институте электро­ сварки и ЦНИИТМАШ, часто образуются горячие трещины.. Во' обще, при аварке углеродистых сталей низкая температура усили­ вает образование трещит. Эффективной возможностью повышения стойкости швов против образования трещин, является изменение химического состава металла шва и его модифицирование, так как образование горячих трещин в наплавленном металле, в первую очередь, зависит от характера его первичной структуры. Известно, что измельченная и 1равиовеаная структура дает повышенную стой­ кость швов против образования горячих трещин.

В Институте электросварки проводились работы по измельче­ нию структуры наплавленного металла, полученного автоматиче­ ской аваркой под флюсом путем введения через электродную про­ волоку в сварочную ванну алюминия и титана. Удовлетворитель­ ные результаты были достигнуты только при содержании углеро­ да не свыше 0,20%.

Модифицирование сварных швов при. автоматической сварке ареднеуглеродистой стали титаном, проведенное в .Киевском поли­ техническом институте под ^руководством К. К. Хренова, показало, что наиболее целесообразно для этой цели использование керами­ ческих флюсов. Возможно также легирование титаном через элек­ тродную проволоку. Стыковые швы, в которых отсутствовали тре­ щины, испытывались на ударную вязкость в температурном интер­ вале от +20 до —60°С. Эти испытания показали, что металл сварного шва, содержащий 0,017% Ti, введенного через керамиче­ ский флюс КС-1, содержащий 1,2% Ti, показал следующие зна­ чения ударной вязкости при низких температурах:—при +20°С — 9,2, при —20° С — 7,8, п»ри —40° С — 6,6 и при —60° С — 6,0 кГм/см2\ при модифицировании .наплавленного металла через электродную проволоку, содержащую до 0,60% Ti, ударная вязкость при тем­ пературе*—20° С составляла всего лишь 0,52 кГм/см2. Керамиче­ ский флюс устраняет перегрев модификатора, так как при его ис­ пользовании значительная доля титана не проходит через высо­ котемпературный дуговой промежуток и попадает в ^сварочную ванну в областях с относительно низкой температурой. Исследо­ ванием установлено, что оварной шов должен содержать от 0.00S до 0,18% Ti.

В тех случаях, .когда наряду с устранением горячих трещин в шве имеет место некоторое снижение пластических свойств метал-

4*

51

ла .шва, целесообразно вносить титан через электродную проволо­ ку, но при этом в шов следует ввести около 0,5% титана.

В л и я н и е о с т а т о ч н ы х на,п . р я ж е н и й	на о б р а з о ­
в а н и е т р е щ и н . Возникновение трещин часто	объясняют на­

личием остаточных напряжений в сварных конструкциях и -поэто­ му для снятия напряжений .-применяют высокий отпуск при темпе-* ратуре 600—650° С. Такой отпуск, например, .применяли три свар­ ке -паровозных котлов из кипящей стали. Е. О. Патон и А. Е. Аснис рекомендовали вместо трудоемкого высокого отпуска паровозных котлов, изготовляемых из кипящей стали, применять для изготов­ ления котлов спокойную сталь, для раскисления которой приме­ няется алюминий; эта сталь менее чувствительна к надрезу и не «образует околошовных зон с повышенным порогом хладнолом­ кости.

В Институте электросварки была .проведена -работа по исследо­ ванию малоуглеродистых сталей — кипящей, раскисленной кремни­ ем и раскисленной кремнием и алюминием. Эта работа показала, что в основном металле около сварного шва -происходят структурные изменения, повышающие хрупкость. Кипящая сталь и сталь, успо­ коенная кремнием, дают в околошовной зоне участок старения и повышение порога хладноломкости от —30 до 0°С; сталь, раскис­ ленная кремнием и алюминием, менее склонная к образованию участка старения в околошовной зоне, имеет порог хладноломкости от — 45 до —30° С.

ЗАРУБЕЖНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

В Англии Котреллом и Брадстритом [70] изучалась связь между величиной поперечного сечения шва, геометрией сварного соедине­ ния, его начальной температурой и -скоростью охлаждения зоны термического влияния при 300° С, являющейся критической для низколегированной конструкционной стали в отношении образова­ ния в них холодных трещин. Установлена эмпирическая зависи­ мость скорости охлаждения зоны термического -влияния однослой­ ного валикового шва от толщины свариваемых листов, погонной энергии сварки и начальной температуры листов, а также опреде­ лены критические скорости охлаждения при 300° С, обеспечиваю­ щие отсутствие холодных трещин в зоне термического влияния. Установлено, что для листов с начальной температурой —50° С кри­ тические скорости охлаждения зоны термического влияния состав­ ляют 3,8—3,5° С/сек, с температурой +20° С —4,8—6,5° С/сек и с температурой +100° С —12—21° С/сек. Следовательно снижение на­ чальной температуры свариваемых листов .приводит к снижению критической скорости охлаждения зоны термического влияния. Арнольд (США) [5] указывает, — что опасность образования хо­ лодных трещин при сварке низколегированной стали типа Т-1, при­ меняемой при изготовлении сосудов высокого давления, может быть устранена при соблюдении следующих условий; малое со­ держание влаги в покрытии электродов (менее 0,10%), достигае-

52

мое прокалкой их при 260° С в течение суток или при 450° С в те­ чение часа; применение (предварительного подогрева деталей; при­ менение отжига после сварки для снятия остаточных напряжений (выдержка .в течение 1 ч. при 620°С). В последнем случае для аварки нужно .применять электроды, не содержащие ванадия, так как он при термической обработке снижает ударную вязкость.

Жербо (Франция) [49] указывает, что в околошовной зоне об­ разование хрупкого излома происходит при сравнительно высоких температурах благодаря наличию остаточных напряжений и тре­ щин. По его мнению, возможны два случая разрушения: 1) обра­ зование трещин сначала в околошовной зоне, которые некоторое время далее не распространяются, но впоследствии при понижении температуры или при повышении напряжения развиваются и при­ водят к полному разрушению изделия; 2) в более жестких усло­ виях, т. е. при более низких температурах или более высоких на­ пряжениях хрупкое разрушение происходит одновременно как в зоне шва, так и в основном металле.

Исследования Робертсона и Раевакого показали, что хрупкая трещина в малоуглеродистой стали распространяется со скоро­ стью 1200—1800 м/сек в том случае, если напряжения в металле от нагрузок при эксплуатации или других причин имеют величи­ ну 600—1100 кГ/см2. Возникшая трещина, в концах которой соз­ даются высокие концентрации напряжений, как правило, распро­ страняется по изделию и приводит к полному разрушению.

ВЫВОДЫ И НЕКОТОРЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ

Многочисленные исследования как у нас в стране, так и за рубежом указывают на влияние температуры окружающей среды при сварке на образование трещин. Практика изготовления и эксплуатации сварных конструкций показывает, что трещины ча­ сто образуются при низких температурах, причем чаще в специ­ альных и среднеуглеродистых, чем в малоуглеродистых сталях.

Можно предполагать, что трещины возникают чаще всего в ре- • зультате суммарного воздействия различных факторов, часть из которых обусловлена низкой температурой в процессе сварки.

Низкая температура повышает скорость кристаллизации, что вызывает увеличение скорости протекания упругопластических де­ формаций, приводит к повышению -напряжений в швах, и снижа­ ет сопротивление металла швов образованию горячих трещин.

При низких температурах ввиду повышенной скорости охлаж­ дения в процессе сварки температурные деформации могут до­ стигать критических значений в то время, когда металл сварного шва -находится еще в хрупком состоянии, что облегчает образова­ ние горячих трещин. Теория распространения тепла при сварке, разработанная Н. Н. Рьгкалиным, дает возможность теоретически объяснить механизм образования горячих трещин в зависимости от скорости охлаждения. Для однопроходной оварки листов в стык мгновенная скорость охлаждения пропорциональна кубу разности

53

мгновенной и начальной температур и обратно пропорциональна эффективной погонной энергии

	дт	о ,		(Т — Т0)3	О)
	1Г = 2.ХсТ
	или	(т — т о)3г°с I
	аг_				(2)
	dt	I	q \ 2 [сек | ’
	где То — температура окружающей среды;				ско­
	'1—температура металла,		при которой определяется

рость охлаждения.

Из уравнений . (1) и (2) видно, что скорость охлаждения зави­ сит от следующих факторов: а) от мгновенного значения тепературы Т; б) от эффективной погонной энергии q!v\ в) от размеров свариваемой конструкции; г) от температуры подогрева Г0.

Скорость охлаждения тем больше, чем выше «разность между мгновенной и начальной температурами. Подогрев в большей сте­ пени снижает скорость охлаждения в тонких деталях, чем в тол­ стых. Из уравнений (1) и (2) также следует, что при понижении окружающей температуры скорость охлаждения значительно воз­ растает. Увеличение скорости деформирования также связано с

увеличением скорости	охлаждения. Н. Н. Прохоров определяет
скорость упруго-пластической деформации выражением
	де	/#т	дТ
	1Г = 1т(Г)1Т
или для случая указанного выше
д е _ ^	а.г(Т)(Т — Т0)3		Г 1 1 .
dt	(А - ) 2		[сек\

\ v )

Это выражение показывает, что чем больше скорость охлаж­ дения металла шва в процессе его кристаллизации, тем шире ин­ тервал хрупких разрушений, а поэтому больше вероятность обра­ зования горячих трещин. Необходимо следовательно разработать такие режимы и способы сварки, которые компенсировали бы по­ вышенную 'скорость охлаждения металла шва в процессе кристал­ лизации. Поэтому особо важное значение придается рационально разработанной технологии, правильному выбору электродов, ос­ новного металла, флюсов и др., так как от этого зависит возникно­ вение горячих терщин. Следует отметить, что многочисленные ис­ следования, проводимые во всех странах мира, в том числе и в Советском Союзе, до сих пор еще не дали возможности полностью вскрыть причины возникновения трещин и дать развернутую мето­ дику борьбы с ними.

ГЛАВА V

ВЛИЯНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ФОРМ НА ХРУПКОЕ РАЗРУШЕНИЕ

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

На хрупкое разрушение оказывает большое -влияние конструк ция -сварного соединения. Поэтому не случайно изысканию раци­ ональных форм сварных соединений посвящено весьма много ра­ бот как у нас в стране, так и за рубежом. Выше отмечалось, что одной из основных 'причин аварий американских и английоких су­ дов, построенных в -годы второй мировой зойны, а также разру­ шения мостов 'в Бельгии, Германии и .Канаде, было несовершенст­ во конструктивных форм. В нашей стране изысканием рациональ­ ных форм конструкций занимаются Институт электросварки им. Е. О. Патона, НИИмостов, МВТУ им. Баумана, Ленинградский политехнический институт им. М. И. Калинина, ЦНИИ МПС

ит. д.

В'процессе сварки в швах образуются усадочные напряжения,

ав основном металле уравновешивающие их местные напряже­ ния. В том случае, когда швы ч изделии располагаются перпенди­

кулярно друг к другу или пересекаются под углом, в сварном сое­

динении создается двух-	или трехосное	напряженное состояние,
т.. е. наихудшие условия	работы металла,	который под действием

этих объемных напряжений может даже при плюсовой темпера­ туре потерять свою пластичность. При понижении температуры ниже критической (а она для некоторых сталей при определенных условиях может быть выше нуля), возможно образование трещин от случайных причин.

Проф. Г. А. Николаев и проф. В. Д. Таран считают, что свар­ ные конструкции, изготовляемые при низких температурах, когда создаются условия для перехода основного металла и металла сварного соединения в хрупкое состояние, должны иметь возмож­ но меньшие усадочные напряжения. Это достигается рациональ­ ным видом соединения (правильное расположение швов с наи­ меньшими сечения-ми и т. д.).

Резкий изменения формы поперечного сечения изделия нару­ шают равномерность силового потока, вызываемого приложением

55

внешней нагрузки. Это нарушение помимо' концентрации напряже­ ний, приводит к изменению самого характера напряженного со­ стояния, т. е. .линейное может перейти в плоское, а в некоторых случаях и в объемное. Указанные изменения напряжений, в свою очередь, создают трудности для развития пластических деформа­ ций. Налример, пластичное разрушение малоуглеродистой стали происходит с 'поглощением 'Сравнительно большого количества энергии за счет внешней нагрузки. Разрушение протекает медлен­ но, плоскость разрушения наклонена под углом примерно 45° к на­ правлению главных растягивающих напряжений; характер изло­ ма мелкозернистый и матовый.

Однако при определенных условиях эта сталь может разру­ шаться хрупко. В этом случае поверхность излома металла, имею­ щая крупнокристаллическое строение, оказывается перпендику­ лярной к направлению главных растягивающих напряжений. Как указывают В. В. Шевер'ницкий и Г. В. Жемчужников, хрупкое разрушение может происходить двояко: 1) после значительной предварительной деформации (при этом металл, .по сравнению с пластическим разрушением, поглощает несколько меньшую вели­ чину энергии); 2) без заметной пластической деформации. При хрупком разрушении, которое протекает с большой скоростью, про­ цесс идет -не за счет внешней нагрузки, а за счет упругой энергии, аккумулированной в металле. Г. В. Ужик объясняет быстроту раз­ рушения реальных конструкций, длительное время находящихся в эксплуатации, необычно большим снижением температуры, а так­ же тем, что постепенное уменьшение температуры сопровождается непрерывным возрастанием напряжений в .местах их концентра­ ции. Переход стали в хрупкое-состояние из пластического проис­ ходит главным образом под влиянием температуры, при которой эксплуатируется изделие, скорости нагружения, химического со­ става стали, ее структуры и наличия надрезов или выточек (из­ менения -сечения). Надрезы или выточки, вызывая нарушения си­ лового потока, приводят к сгущению силовых линий и заставляют их менять свое направление. Следовательно в этих местах напря­ жения возрастают и создается двухили трехосное напряженное состояние [190]; [166]; [167].

В сварных конструкциях из малоуглеродистых и углеродистых сталей, обычно в зоне сварных швов, образуются главным обра­ зом одноосные либо двухосные остаточные напряжения, реже объ­ емное напряженное состояние. Пластические свойства сварных соединений при одноосном и двухосном напряжениях хорошо со­ храняются. Поэтому опасность разрушения изделия отсутствует. Однако сварные конструкции, подвергающиеся внешним нагруз­ кам, при весьма низких температурах могут становиться хрупкими. Как правило при проектировании сварных конструкций исходят из того, что металл находится в пластичном состоянии и что резкие изменения сечений, надрезы и целый ряд других концентраторов напряжений не оказывают влияния на статическую прочность свар-

56

ных соединений. Поэтому рассчитывают эти соединения по номи­ нальным напряжениям.

Многолетняя отечественная и зарубежная практика показыва­ ет, что разрушение сварных соединений при номинальных напря­ жениях ниже предела текучести металла может наблюдаться при неблагоприятном сочетании целого ряда факторов, а именно .при высокой концентрации напряжений и низкой температуре. Поэто­ му сталь для сварных соединений нужно выбирать исходя из усло­ вий эксплуатации конструкций. Широко раопростаиеиныйметод определения хладноломкости стали при помощи испытания на ударную вязкость стандартных образцов Менаже дает возмож­ ность получать лишь сравнительные результаты, что заставило искать более эффективные методы определения склонности метал­ лов к хрупкому .разрушению.

Ниже приведены данные некоторых исследований, посвящен­ ных изысканию наиболее рациональных типов сварных соедине­ ний, испытанных в условиях низких температур.

РАЦИОНАЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ СВАРНЫХ СТЫКОВ БАЛОК

В Институте электросварки им. Е. О. Патона в 1956 г. В. В. Шеверницким и В. И. Новиковым проведены исследования по установ­ лению рациональной конструкции монтажного стыка и способа при­ крепления ребер жесткости к полкам двутавровых сварных балок; специальные образцы при температурах —45 и —50° С статически испытывались на изгиб.

При изыскании способа крепления конца ребра жесткости к полкам балок исследователи, учитывая разнообразие часто встре­ чаемых способов крепления ребер жесткости (фиг. 13), решили проверить, можно ли приваривать торцы ребер к растянутому поя­ су балки и, если это возможно, то установить, какими швами эту приварку производить—продольными или поперечными. Были проведены две серии испытаний на изгиб сварных соединений с продольными и поперечными угловыми швами. Образцы первойсерии в виде полосы с приваренными накладками (фиг. 14), изго­ товляли из спокойной стали марки Ст. 3 и стали марки А, кото­ рая имела следующий химический состав: 0,11% С; 0,9% Мп; 0,37% Si; 0,06% Сг; 0,66% Ni; 1,08% Си; 0,034% S; 0,10% Р. При­ варка накладок производилась вручную электродами марки

УОНИ-13/45.

В результате испытания этих образцов на изгиб при темпе­ ратуре —50° С было установлено, что по углу загиба и по наиболь­ шим разрушающим нагрузкам соединения с продольными обры­ вающимися швами получились хуже, чем с поперечными швами. Однако последние соединения несмотря на их преимущества пе­ ред продольными швами, в значительной степени снижают дефор­ мационную способность стальной полосы.

Образцы второй серии имели вид балок (фиг. 15), у которых ребра жесткости приваривались к растянутому поясу полеречны-

5?

Фиг. 13. Разные способы прикреп­	Фиг. 14. Образцы на из­
ления ребер жесткости.	гиб с поперечными и про­
	дольными швами.

58

ми или (Продольными швами или опирались на пояс через прокладку. Ребра жесткости приваривались автоматической сваркой, проволокой марки Св1ГА, под флюсом марки АН-348А.

Испытуемые валки длиной до 1 м и высотой до 300 мм изго­ товляли из стали марки М16С следующего химического состава: 0,17% С; 0,49% Мп; 0,24% Si; 0,043% S; 0,024% Р.

Испытание указанных балок производилось :в ванне (фиг. 16) с бензином, температура которого в течение всего времени испы­ тания поддерживалась равной — 50° С.

Было установлено, что статическая прочность балок при всех видах -присоединения ребер жесткости к поясам одинакова. Учи-

I	\	I	I	Фнг. 17. Образцы балок
				с	разной конструкцией
					стыков.
	■ —
-------------- и 100------------J

тывая технологические и эксплуатационные особенности различ­ ных конструкций крепления ребер жесткости к поясам предпоч­ тение отдается лобовым швам.

Разница в поведении образцов, изготовленных из стали марок М16С и Ст. 3 была замечена только там, где ребра жесткости прикреплялись к поясу поперечными швами; в этом случае в об­ разце, изготовленном из стали марки М16С, произошла потеря устойчивости стенки без разрушения, а в образце из стали марки Ст. 3 произошло хрупкое разрушение с предварительной пласти­ ческой деформацией на большом расстоянии от ребра.

Для определения прочности балок с различной конструкцией стыков (совмещенный стык, стык со вставкой и стык с вырезом в стенке) проводились статические испытания на изгиб образцов (фиг. 17) в виде балок, аналогичных по размерам предыдущим образцам, также изготовленных из сталей марок М16С и Ст. 3.

5 9

Испытания при температуре —45° С производились при пог­ ружении балки в .ванну с охлаждением бензином как и в преды­ дущем случае. Все три варианта конструкции стыков балок ока­ зались одинаково прочными. Разница между образцами со сме­ шанными стыками выявилась при испытании следующая: в об­ разце из стали М16С произошла потеря устойчивости стенки, в образце из стали Ст. 3 — хрупкое разрушение,- идущее от конца ребра жесткости. Результаты исследования позволяют утверж­ дать, что при низкой температуре статическая прочность балок с ребрами жесткости, приваренными к -поясам лобовыми либо фланговыми швами, такая же, как у балок с ребрами жесткости, не приваренными к поясам.

НАКЛАДКИ В СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЯХ

Для выяснения вопроса о том, какие типы сварных соединений следует рекомендовать в растянутых элементах металлоконструк­ ций, работающих при низких температурах, В. В. Шеверницким и Г. В. Жемчужниковым было проведено экспериментальное ис­ следование при температуре —45° С, которое показало нерацио­

нальность применения накладок (188].

Ими использовались образцы двух типов. В образцах первого типа, изготовленных из швеллера № 16, торцы не сваривались (фиг. -18), а плотно примыкали друг к другу и перекрывались тре­ мя накладками, из которых средняя имела размеры 145Х200Х Х8 мм, а две другие 50X200X8 мм. Приварка накладок произво­ дилась электродами ОММ-5.

	и N4$	u N 'IS
1Щ	\
	са
	fcdr
Фиг. 18. Образцы с накладками		Фиг. 19. Образцы с наклад-
без поперечного стыкового шва.		ками с зазором 50 мм меж­
		ду элементами.

Частьобразцов этого типа перед испытанием подвергалина­ грузке при комнатной, температуре, создавая напряжение до 2000 кГ/смг с целью снятия в .накладках остаточных напряжений, возникающих после сварки. В других образцах этого типа между торцами стыкуемых швеллеров оставляли зазор, равный 50 мм, что также приводило к некоторому уменьшению концентрации напря­ жений у концов соединяемых элементов и к понижению в этих ме­ стах остаточных напряжений (фиг. 19). Еще одна часть образцов этого типа была выполнена с поперечным стыковым швом электро*

60