Электрогазосварка. Электросварка. Газосварка

§ 19. Испытание на свариваемость

Применяют ряд методов для определения склонности стали к образованию трещин и для определения изменения свойств стали в околошовной зоне. Ниже приведены лишь наиболее употребительные из них.

Метод МВТУ им. Баумана. Валиковая проба определяет следующие свойства стали, проявляющиеся под влиянием термического воздействия при дуговой сварке: склонность к закалке, склонность к перегреву, пластичность стали после нагрева дугой, способность к улучшению микроструктуры и к повышению пластичности после сварки.

Для испытания заданной марки стали выбирают сталь одной плавки, что контролируют химическим анализом. При наличии нескольких плавок стали одной и той же марки испытания проводят на стали той плавки, в которой содержание углерода больше.

Из испытуемой стали вырезают вдоль проката не менее девяти пластин толщиной 12—18 мм (рис. 22). В закрытом помещении при положительной температуре окружающей среды на каждую пластину по всей ее длине наплавляют один валик вручную или на автомате (открытой дугой ил£ под флюсом). Наплавку вручную ведут без поперечных колебаний электрода. Режим характеризуется величиной погонной энергии

где q— эффективная тепловая мощность дуги, кал/см; v— скорость продольного перемещения дуги, см/с (должна быть постоянной в процессе наплавки одного валика); / — сила сварочного тока, A;U— напряжение в дуге, В; г)и — коэффициент использования энергии дуги пластиной; при наплавке открытой дугой вручную или' на автомате г)и.= 0,75, при наплавке под флюсом г]и — 0,85.

Значения погонной энергии изменяют в пределах I—18 ккал/см. Режимы наплавок приведены в табл. 9.

Режимы наплавок при испытании на свариваемость

После остывания торцы пластин шлифуют и протравляют 5%-ным раствором азотной кислоты для определения границы проплавления. Затем размечают и вырезают образцы так, чтобы предотвратить отпуск или перекристаллизацию металла; применять газовую или дуговую резку недопустимо. Количество и назначение образцов приведено в табл. 10.

Пластина для ипытания на свариваемость

При микроисследовании устанавливают тип микроструктуры на границе сплавления и в зоне максимальной твердости на расстоянии 0,5—1,0 мм от границы проплавления, а также исходную микроструктуру металла. Измеряют средний размер зерен аустенита в зоне максимального перегрева; границы зерен принимают по ферритной сетке или по ориентировке зерен мартенсита. Измерение зерен выполняют в тех

Количество и назначение образцов

случаях, когда их границы можно установить. Средний размер зерна аустенита (в мм) вычисляют по формуле

где d— диаметр поля, видимого под микроскопом, мм;п — число зерен, расположенных по диаметру.

Твердость измеряют вдоль границы проплавления на расстоянии 0,5—1 мм от нее, а также по толщине металла. Измерение производят в точках, расположенных на расстоянии 2—2,5 мм одна от другой.

Образец для испытания на статический изгиб
Затем образцы (рис. 23 и 24) испытывают на статический изгиб и ударную вязкость (по ГОСТ 9454—60 и 9456—60). Результаты испытаний оформляются в виде графиков, один из которых показан на рис. 25. Эти графики дают возможность выбирать режимы сварки, обеспечивающие заданные свойства.

Метод НИИ. Для испытания листовой стали толщиной до 15 мм от края листов вырезают вдоль проката шесть заготовок размером 300Х Х45 мм. Заготовки поочередно устанавливают в зажимы стыковой сварочной машины при расстоянии между зажимами 65 мм и включают ток такой силы, чтобы средняя часть заготовок на длине 50 мм нагревалась до температуры 1320—1360° С за время не более 30 с. После охлаждения на воздухе из одной заготовки изготовляют образец для испытания на растяжение (рис. 26), а из другой — образец для испытания на изгиб.

После нормализации по режимам, принятым для стали данной марки, из остальных заготовок изготовляют аналогичные образцы

Образец для испытания на ударную вязкость
(два — для испытания на растяжение и два — для испытания на загиб) и производят испытания всех шести образцов. Сопоставляя результаты испытаний на растяжение и загиб, определяют ориентировочно характер изменения свойств стали в околошовных участках (при дуговой сварке).

График изменения свойств стали в зависимости от погонной энергии наплавки (углеродистая сталь с содержанием углерода 0,4%)

Для испытания стали толщиной более 15 мм вытачивают шесть заготовок диаметром 15 ± 0,1 мм и длиной 150+ 1 мм. Заготовки нагревают до 1320—1360° С в стыковой сварочной машине при расстоянии между зажимами 100 мм за время не более 10 с.

Образец для испытания на растяжение
Из средней части охлажденных на воздухе (при расстоянии между образцами не менее 80 мм) заготовок изготовляют образцы и испытывают их, как указано выше.

На основании результатов испытания по методике НИИ стали делят на три класса: ХС — хорошей свариваемости; СС — средней свариваемости и ПС — плохой свариваемости.

Класс ХС — стали после нагрева и охлаждения настолько мало ухудшающие пластические свойства (удлинение, угол загиба и ударную вязкость), что они не выходят за нижние значения норм, предусмотренных ТУ или ГОСТами.

Класс СС — пластические свойства ниже нижнего предела, но восстанавливаются после термообработки до пределов минимальных требований ТУ или ГОСТов.

Класс ПС — аналогичен СС, но термообработка не восстанавливает механических свойств до пределов минимальных требований.

Недостаток методики НИИ заключается в том, что при испытаниях имитируют только тепловой режим сварки, все же остальные условия протекания сварочного процесса здесь не учитывают. Методика НИИ может быть рекомендована как предварительная.

Рис. 27. Образец для испытания по методу Кировского завода. Рис. 28. Проба института электросварки им. акад. Е. О. Патона
Метод Кировского завода. В середине пластин (рис. 27) из испытуемой стали делают выточки диаметром 80 мм с тем, чтобы донья их имели толщину, равную 2, 4 и 6 мм. По диаметру выточек наплавляют валики при охлаждении наружной поверхности металла проточной водой. По результатам испытаний стали классифицируются по следующим четырем группам: первая группа — хорошо сваривающиеся стали, на которых не образуются трещины при наплавке с охлаждением водой; вторая группа — удовлетворительно сваривающиеся стали, на которых при наплавке с охлаждением водой образуются трещины, но трещины не появляются при охлаждении на воздухе; третья группа — ограниченно сваривающиеся стали, которые требуют для предупреждения образования трещин подогрева образца перед наплавкой до 100—150° С и охлаждения на воздухе; четвертая группа — плохо сваривающиеся стали, которые требуют подогрева до температуры 300° С и выше.

Проба института электросварки им. академика Е. О. Патона. Образец для испытания металла на технологическую свариваемость представляет собой пластину размером 200X400 мм (рис. 28), имеющую четыре отверстия с треугольным надрезом глубиной 2,5мм на всю толщину пластины. Пластину двумя поперечными швами приваривают к швеллеру № 20. На пластине автоматом наплавляется продольный валик. Готовый образец замораживают углекислотой, после чего подвергают удару под 5-килограммовым копром. Образование трещин зависит от соотношения между величиной напряжений, создающихся на участке между каждой парой отверстий, и величиной хрупкой прочности металла. Известно, что поперечные напряжения при сварке значительно меньше продольных и что продольные напряжения, вызывающие поперечные трещины, имеют наибольшее значение у оси шва и уменьшаются по мере удаления от оси.

Для оценки пригодности стали, т. е. стойкости ее при пониженных температурах, могут быть приняты два критерия, влияющих на возникновение трещин в образце:

1) расстояние между осью шва и вершиной угла надреза; при этом изменяется расстояние, а температура, при которой производится испытание, остается постоянной; лучшей сталью признают ту, в которой трещины появляются при минимальном расстоянии между осью шва и вершиной угла надреза.

2) температура образца, при которой получается трещина; в этом случае расстояние между осью шва и вершиной угла надреза остается для всех температур неизменным. Лучшей сталью считают ту, в которой трещина появится при наиболее низкой температуре. Удобен второй критерий.

Исследования изменений структуры и механических свойств металлов при сварке на машине ИМЕТ-4. Существующие методы оценки свариваемости, основанные на определении степени изменения свойств металла в зоне термического влияния, позволяют оценить конечный результат теплового воздействия сварки на структуру и свойства основного металла.

В институте металлургии АН СССР разработан метод изучения изменений структуры и механических свойств основного металла в условиях термического цикла сварки и создана установка для этой цели. По методике исследования тонкие стержневые образцы, вырезанные из исследуемого металла, нагревают током, охлаждают в соответствии с заданным термическим циклом сварки и в различные моменты цикла подвергают быстрому разрыву. Нагрев образца регулируют изменением силы тока по заданной программе, а скорость охлаждения — опрыскиванием водой, обдувом газом или пропусканием через него тока небольшой силы.

Изменения структуры и механических свойств металла в условиях термического цикла изучают раздельно.

При изучении кинетики фазовых превращений, а также роста зерна образец размером 3X5X100 мм зажимают в губках нагревателя и подвергают нагреву по заданному циклу (рис. 29).

В определенные моменты цикла (например,t1,t2и т. д.) губки нагревателя автоматически разжимаются, образец падает в бачок с водой и резко охлаждается. После шлифования и последующего специального травления образец подвергают металлографическому анализу. При этом оценивают фазовый, состав и определяют размер зерна. Изменение температуры в центральном участке образца в процессе нагрева и охлаждения регистрируется термопарой и записью на ленте осциллографа; конечные изменения структуры и твердости металла исследуют обычными методами после нагрева и полного охлаждения образца по заданному термическому циклу.

Для исследования изменений механических свойств образец размером ЗХ5Х 150 мм с двусторонней выточкой радиусом 5 мм (рис. 30) вставляют в захваты разрывной машины.

Образец нагревают по заданному циклу (см. рис. 29) и в определенные моменты времени(tltt2и т. д.) подвергают разрыву с регистрацией на ленте осциллографа кривой изменения усилия и удлинения образца во времени. Совместная обработка этих кривых позволяет построить диаграмму «усилие — абсолютное удлинение образца» Р (Л/).

Такая методика дает возможность определять пределы прочности и текучести и относительное сужение и удлинение металла образца в условиях быстрого растяжения. Предел прочности ов и предел текучести ах определяют непосредственно из диаграммы Р (Д/), а относительное сужение if> подсчитывают по данным обмера шейки в среднем сечении выточки образца до и после разрушения.

Образец для исследования изменений механических свойств металла
Исследование изменений ов и образцов в условиях термического цикла показало, что для большинства исследованных марок стали характерен последовательный частичный распад аустенита в температурных интервалах перлитно-ферритного и игольчатого трооститного превращения. В результат воздействия растягивающих напряжений, величина которых резко возрастает по мере охлаждения металла при сварке, возникает опасность местных разрушений в околошовной зоне.

Для выбора рациональных режимов технологии сварки и уменьшения этой опасности необходимо знать характер, а также величины относительного изменения Ψ и δ в указанных интервалах температуры в зависимости от параметров .термического цикла (Tmax,t' t"и скорости охлаждения металла околошовной зоны).

Эти данные позволяют также оценивать склонность металла к закалке и перегреву и выбрать оптимальные режимы сварки исходя из условий наиболее благоприятных изменений δв и Ψпри охлаждении.
Термический цикл сварки

Методика оценки свариваемости металлов по изменению механических свойств и структуры околошовной зоны в условиях термического цикла сварки, предложенная институтом металлургии им. А. Н. Байкова, позволяет изучать не только конечные изменения структуры и механических свойств околошовной зоны при сварке, но и кинетику процесса роста зерна и структурных превращений. Она может быть рекомендована для оценки свариваемости как существующих, таки новых изыскиваемых марок металла на самых ранних этапах их разработки.

Исследование свариваемости металла при сварке по методике ИМЕТ осуществляют на специальных машинах ИМЕТ-4.

Методика ЛТП 1-4 для определения склонности металла шва к образованию горячих и холодных трещин при сварке. В основу методики испытаний положена гипотеза проф. Прохорова Н. Н. межкристаллической прочности сплавов при сварке.

Согласно этой гипотезе горячие трещины образуются в температурном интервале хрупкости (ТИХ) данного свариваемого сплава. При этом вероятность образования горячих трещин определяется соотношением ТИХ, значением производной от деформации по температуре (т. е. скорость нарастания деформаций по мере снижения температуры) и величиной пластичности сплава в температурном интервале хрупкости.

Так как при сварке металлов поле напряжений является взаимно уравновешенным, то задача прочности здесь решается в деформациях, т. е. путем сопоставления значений пластичности металла в различных температурных условиях со значением деформаций, возникающих в околошовной зоне при сварке.

Образование горячих трещин в процессе сварки есть результат определенной взаимной зависимости между величиной упруго-пластической деформации, с одной стороны, и свойствами металла в определенных температурных условиях — с другой.

Следовательно, для определения пластических свойств металла в ТИХ в процессе сварки необходимо иметь возможность варить металл в различных условиях с точки зрения величины упруго-пластических деформаций. Способность металла претерпевать большую или меньшую величину упруго-пластических деформаций в процессе сварки без разрушения и является показателем его прочности.

Для изменения величины упруго-пластической деформации при испытании данного металла была предложена следующая методика исследования.

Образец, подвергаемый испытанию, имеет незначительную ширину — это при наложении сварного шва обусловливает минимальную величину внутренней упруго-пластической деформации самого образца. Однако образец испытывают не в свободном состоянии, а в условиях приложения к нему внешних сил. Внешние силы деформируют образец в процессе сварки с постоянной скоростью, причем скорость деформации в отдельных случаях может быть изменена путем изменения скорости перемещения головок машины, растягивающей образец.

Величина упруго-пластической деформации в наплавленном металле складывается из двух частей: из части, создаваемой жесткостью образца (эта часть остается неизменной, так как применяют образцы постоянного сечения) и части, создаваемою внешними силами (эта часть переменная, так как деформацию можно производить с различной скоростью).

Следовательно, сваривая различные образцы при различном значении деформации внешними силами, мы не имеем возможность изменить суммарное значение упруго-пластической деформации металла шва.

Первая составляющая внутренней деформации, обусловливаемая жесткостью образца, будет зависеть от теплофизических свойств испытуемого металла, т. е. от его коэффициента линейного расширения и температуропроводности. Значение этих параметров будет учтено в соответствии с их влиянием на величину внутренних деформаций при сварке.

Вторая составляющая деформации, обусловливаемая перемещением головок машины, в этой методике отражает влияние различных технологических факторов, определяющих величину деформаций при сварке.

Важнейшими из этих факторов являются: окружающая температура, распределенность источника тепла, величина погонной энергии, жесткость конструкции, последовательность сварки и т. п. Таким образом, скорость деформации в температурном интервале хрупкости является обобщенным фактором, эквивалентным влиянию различных технологических и конструктивных факторов. Испытания ведут в следующем порядке.

Берут несколько образцов из стали одной марки. Первый образец сваривают при некотором среднем значении скорости деформации, создаваемой машиной, после чего его обследуют для установления наличия или отсутствия трещин. При отсутствии трещин скорость увеличивают; при наличии трещин следующий образец испытывают при меньшей скорости. Таким образом устанавливают граничное значение скорости, которая является для данной стали критической.

Превышение этой скорости приводит к образованию трещин; при более низких значениях скорости трещины не появляются.

Машина ЛТП 1-4 предназначена для определения количественного показателя склонности металла сварного шва к образованию горячих трещин.

На машине ЛТП 1-4 можно испытывать стыковые и тавровые образцы, разрезные и неразрезные с наплавкой вдоль и перпендикулярно направлению деформации.

Определение сопротивляемости стали образованию холодных трещин при сварке производят с помощью испытательных машин и установок.

Машина ЛТП 2-5 предназначена для испытания тонколистовых плоских, круглых или восьмигранных образцов со стыковым швом, жестко закрепленных по контуру, постоянной длительно действующей распределенной нагрузкой. Испытания позволяют определить сопротивляемость различных зон сварного соединения образованию продольных и поперечных холодных трещин.

Машина ЛТП 2-3 предназначена для испытаний тавровых образцов из стали толщиной 6—20 мм с угловым сварным швом постоянной длительно действующей нагрузкой по схеме консольного изгиба.

Испытания позволяют определять сопротивляемость различных зон сварного соединения образованию продольных холодных трещин.

Машина ЛТП 2-3 имеет пять одинаковых секций для одновременного испытания серии образцов при различных нагрузках. Она изготовлена в МВТУ им. Баумана и ЦНИИТмаше и в течение ряда лет ее используют для проведения испытаний.

вверх страницы