4.6. Оценка свариваемости металлов

4.6.1. Понятие свариваемости

Под свариваемостью понимают способность однородных или разнородных металлов и сплавов образовывать работоспособные сварные соединения с применением различных способов сварки и сварочных материалов. Свариваемость оценивают степенью соответствия свойств сварного соединения одноименным свойствам основного металла и вероятностью образования в металле соединения пор, включений, трещин и прочих дефектов. Хорошо свариваемые металлы претерпевают воздействие термического цикла сварки без. заметного ухудшения свойств сварного соединения и образования указанных выше дефектов. Трудно и ограниченно свариваемые металлы для этого требуют применения специально выбранных спо­собов и режимов сварки, а также различных технологических меро­приятий, таких как подогрев, немедленный отпуск после сварки и др. Существуют металлы, особенно разнородные их сочетания, которые не образуют работоспособных соединений никакими способами сварки даже с применением технологических мероприятий. Такие металлы относят к категории несвариваемых.

Количественной оценкой свариваемости служат числовые показатели некоторой совокупности свойств сварного соединения, взятые' в сравнении с подобными свойствами основного металла. В эту, совокупность включают свойства, которые обеспечивают сварным конструкциям определенного типа технологическую прочность цри изготовлении выбранным способом и технологией сварки и эксплуа- тационную надежность в условиях заданных режима нагружения, окружающей среды и температуры. Для определения показателей свариваемости применяют испытания с помощью специальных проб и методов. При этом возможно получение показателей свариваемости для заданных условий или определение диапазона условий, при которых эти показатели имеют максимальные значения.

4.6.2. Показатели технологической прочности

Под технологической прочностью понимают способность металлов сохранять свою сплошность без разрушения в процессе технологической обработки с помощью сварки.

Технологическую прочность металлов при сварке можно оценивать показателями сопротивляемости и стойкости против образования трещин. Сопротивляемость образованию трещин определяют машинными испытаниями сварных образцов; в условиях приложения внешних нагрузок. Она характеризует технологические свойства металла в различных зонах сварного соединения. Стойкость против образования трещин, определяемая с помощью технологических проб, - это комплексная характеристика, зависящая от технологических свойств металла и величины сварочных деформаций и напряжений в сварном образце пробы.

Показатели технологической прочности применяют для сравнительной оценки металлов. Вероятность образования трещин при сварке конструкций можно определить только после корреляции результатов испытаний на технологическую прочность и поведением: металлов в производственных условиях и установления допустимых значений показателей.

Ряс. 4.13. Схема машины ЛТП1-6 для испытаний на горячие трещины при сварке: 1, 2 - неподвижный и подвижный захваты; 3 - свариваемый образец; 4-6 - механический привод.

Методы машинных испытаний. Испытания на образование горячих трещин по методу ЛТП-1 заключаются в деформировании растяжением образцов в процессе их сварки и затвердевания металла шва с помощью испытательной машины (рис. 4.13). Испытанию подвергается серия сварных образцов (рис. 4.14) при последовательном увеличении от образца к образцу скорости деформации. Минимальная скорость деформации, при которой образуются трещины в шве или околошовной зоне, служит количественным показателем сопротивляемости металлов их образованию. На образование горячих трещин испытывают все без исключения металлы и сплавы.

Рис. 4.14. Схема образцов для испытаний на горячие трещины: 1 - вдоль шва; 2 - поперёк шва

Испытание на образование холодных трещин по методу ЛТП-2 заключается в нагружении серии образцов непосредственно после сварки внешними различными по величине длительно действующими постоянными нагрузками. Для испытания образцов (рис. 4.15) применяют испытательные машины и установки (рис. 4.16), в которых для создания постоянного усилия используют грузы, упругие элементы и другие устройства. Минимальное растягивающее напряжение от внешней нагрузки, при котором происходит образование трещин в околошовной зоне или сварном шве после испытания в течение установленного периода времени (для стали – 20 ч), служит количественным показателем сопротивляемости материала их образованию. На образование холодных трещин испытывают металлы, претерпевающие при сварке фазовые превращения в твердом состоянии. К таким материалам относятся перлитные, мартенситные, высокохромистые ферритные стали, ряд титановых, алюминиевых и некоторых других сплавов.

Рис. 4.15. Схема образцов для испытаний на холодные трещины: а - тавровые, б - стыковые.

Рис. 4.16. Установка для испытаний на холодные трещины а - ЛТП2-3 для тавровых образцов; б - ЛТП2-6 для стыковых образцов; 1 - жесткая скоба; 2 - опоры; 3 - сварной образец; 4 -. пуансон;5 - фиксирующая прогнб образца гайка; 6 – направляющая втулка; 7 - шток; 8 сварной образец; 9 - рычаг.

Технологические пробы. Пробы на образование горячих трещин представляют собой испытание путём сварки образцов, конструкция которых обеспечивает интенсивное развитие сварочных деформаций при температурах затвердевания шва.

Проба с набором образцов (проба ЛТП) согласно РС СЭВ 3641-72 предусматривает сварку образцов различной ширины (рис. 4.17), которая принимает значения 4, 6, 8, 12, 16 и 20δ - толщин испытываемого металла. Сварку начинают с образцов минимальной ширины и продолжают на образцах возрастающей ширины до тех пор пока трещины в сварном шве перестанут образовываться. Необходимое условие работы пробы - полное проплавление перемычки в корне разделки. В этом случае половинки образца пробы вслед­ствие неравномерного распределения температур при нагреве к сравнительно небольшой жесткости интенсивно деформируются, раскрывая кромки сварного шва и вызывая образование трешин

Рис. 4.17. Проба с набором образцов разной ширины b

Рис. 4.18. Тавровая проба

За количественный показатель стойкости против образования трещин принимают минимальную ширину образца, в котором уже не образуется трещин. Наличие трещин определяют визуально на поверхности шва и по его излому, где за горячую трещину принимают окисленные участки, имеющие междендритный характер разрушения.

Тавровая проба согласно РС СЭВ 3641-72 проводится путем сварки таврового образца (рис. 4.18), стенку которого прикрепляют к полке только одной прихваткой в начале шва. Это позволяет стенке во время сварки легко поворачиваться (особенно при наложении первого шва), что вызывает деформацию и, как следствие этого, образование трещины в корне шва. После наложения двух швов по обе стороны стенки и их визуального осмотра полку с обратной стороны вдоль продольной оси между швами разрезают механическим способом. Разрезанные части полки отгибают для установления наличия трещин в изломе шва.

Испытание тавровой пробы дает качественную оценку металлов: яри отсутствии трещин их считают стойкими против образования трещин, при наличии трещин - склонными к их образованию.

Пробы на образование холодных трещин предусматривают сварку образцов, конструкция которых обеспечивает высокий уровень остаточных сварных напряжений.

Рис. 4.19. Лихайская проба; а — образец; 6 разделка кромок

Лихайская проба состоит в сварке плоского образца» имеющего в центре разделку в виде щели (рис. 4.19). Необходимое условие испытания - сварка с непроваром корня шва. Высокий уровень напряжений обеспечивается жестким закреплением шва и концентратором напряжений в его корне. Трещины при испытании возникают в корне соединения либо в металле шва, либо в околошовной зоне в зависимости от формы разделки прямой или косой соответственно (рис. 4.19, б). Уровень напряжений регулируется за счет различной длины прорезей на краях пластины. Косая разделка применена впервые в японской пробе «Тэккен».

За количественный показатель стойкости против образования трещин принимают глубину прорезей Ь, при которых еще не образуется трещина.

Крестовая проба согласно РС СЭВ 4102-73 заключается в сварке двойного таврового образца (рис. 4.20) четырьмя последовательными угловыми швами.

Рис. 4.20. Крестовая проба (/- 4 - порядок сварки швов)

Каждый следующий шов укладывают после полного охлаждения предыдущего. По мере сварки каждого шва возрастает жесткость их закрепления, ускоряется отток теплоты и повышается общее насыщение сварного соединения водородом. Наиболее вероятно образование трещин в третьем шве и его зоне термического влияния. Через четверо суток после сварки из центральной части образца вырезают три поперечных темплета шириной по 25 мм, из которых изготовляют металлографические шлифы. Шлифы исследуют при 10-кратном увеличении на наличие трещин.

При испытании крестовой пробы получают качественную оценку металлов, относя их к стойким или склонным к образованию тре­щин в зависимости от отсутствия или наличия трещин на шлифах. Иногда усложняют испытание, изменяя исходную температуру образца путем охлаждения углекислотой или подогревом. В этом случае за количественный показатель стойкости против трещин принимают начальную температуру образца, при которой уже трещины не образуются.