книги / Сварка при низких температурах

воляло назначать наибольшие силы тока при сварке. Определение ударной вязкости на образцах Менаже производилось при темпера­ турах + 20°, —40 и —60° С (фиг. 51).

Опыты .показали, что упругие колебания при сварке оказывают благоприятное влияние на ударную вязкость. Независимо от тем­ пературы испытания образцов ударная вязкость .повышается с уве-

частоты вибрации.

личением частоты колебаний. Образцы, выполненные при вибра­ ции частотой 3300 колебаний в минуту и при амплитуде колебаний 0,1—0,15 мм, показали (при температуре испытаний 20° С) увели­ чение ударной вязкости вдвое, т. е. в абсолютных величинах на 7,5 кГм](ж2.

В результате наложения вибрации .на кристаллизующуюся сва­ рочную ванну происходит измельчение структуры металла шва, резко повышающее ударную вязкость. Так, средняя ударная вяз­ кость на образцах Менаже при температуре —40° С у пластин, сваренных с применением вибрации при амплитуде колебаний •0,1—0,15 мм, составляет 17,7 кГм(см2, в то время как при обычной сварке образцы дают при этой же температуре испытания удар­

ную вязкость 7,9 кГм/см2.

ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИИ

Широкое применение термической обработки сварных соедине­ ний обусловлено, в первую очередь, тем, что она улучшает струк­ туру и -свойства металла, в частности позволяет эффективно ис­ пользовать низколегированные стали. Термическая обработка сварных швов устраняет внутренние напряжения, обеспечивая оди­ наковую механическую прочность в разных участках шва.

Для снятия сварочных напряжений применяют наиболее рас­ пространенные виды термической обработки — отжиг, который заключается в нагреве до температуры примерно до 620—650° С, выдержке при этой температуре и медленном охлаждении. В тех

151

случаях, когда ударная вязкость сварных швов легированных ста­ лей при низких температурах резко снижается, целесообразно применять закалку с отпуском. Это существенно повышает механи­ ческие свойства .при низких температурах. Часто -производят пред­ варительный подогрев свариваемых деталей и -последующее замед­ ленное охлаждение с соблюдением особых термических режимов (наложение швов короткими участками, многослойная сварка и

т. д.).

Местная термическая обработка сварных соединений. Местная термическая обработка приводит -к измельчению структуры по­ верхностных слоев сварного соединения, к изменению тонкой структуры, а также к значительному снижению напряжений второ­ го и третьего рода. Особенно целесообразна местная термическая обработка крупногабаритных сварных конструкций. Многими на­ учно-исследовательскими организациями изыскиваются рацио­ нальные методы местной термической обработки сварных соеди­ нений. Исследования Института электросварки им. Е. О. Патона показали, что качество швов низколегированной стали можно зна­ чительно повысить при помощи последующей местной термической обработки газосварочной горелкой или другим источником тепла.

Учеными [57] была предложена технология местной терми­ ческой обработки и автоматической сварки стали марки 15ХОНД толщиной до 30 мм, обеспечивающая повышение пластичности, а также уменьшение чувствительности к концентрации напряжений сварных соединений. Было высказано .предположение, которое впо­ следствии подтвердилось, что указанные улучшения достигаются благодаря созданию на поверхности сварных швов мягкого мелко­ зернистого слоя. Технология этой термической обработки и сварки заключалась в следующем. Сварка угловых швов осуществлялась под флюсом АН-348А с использованием электродной проволоки Св08А при токе 850 я, напряжении 36 б и скорости сварки 28 м/ч. Металл сварных швов имел химический состав: 0,12% С, 0,82% Мп, 0,43% Si, 0,41% -Ni, 0,40% Си.

При местной термообработке газосварочная горелка, находив­ шаяся на расстоянии 20—25 мм от поверхности шва, перемещалась со скоростью 8 м/час, что обеспечивало нагрев поверхности метал­

чила не только-повышение пластичности, но й в 2 раза снизила по­ рог хладоноломкости, что видно из данных табл. 23. С примене­ нием местной термической обработки в Институте электросвар­ ки им. Е. О. Патона в 1957 г. была разработана технология авто­ матической сварки хладостойкой стали марки 12НЗ, предназначен­ ной для изготовления из нее емкостей для сжиженного газа с тем­ пературой — 160° С. Необходимо было, согласно техническим ус­ ловиям, обеспечить значения ударной вязкости сварного шва при температуре —160° С не ниже 3 кГм/см2. Поэтому .при разработке технологии автоматической сварки с целью снижения порога хлаД-

152

ударной вязкости при температуре —160° С. Только термическая обработка сварных швов, заключающаяся в нагреве до 900° С, выдержке в течение 10—15 мин, охлаждении в воде и последую­ щем отпуске при температуре 600° -С, позволила получить необхо­ димую ударную вязкость. Опыты показали возможность замены указанной общей термической обработки местной с использовани­ ем газосварочной горелки типа СУ с наконечником № 7. Горелка перемещается на расстоянии 18—20 мм от поверхности шва со скоростью 9— 10 м!ч, что обеспечивает нагрев по всей его толщине (8'мм) до температуры 1100—1200° С. Шов при температуре вы­ ше 850° С находится -в течение 40—45 сек. Закалка производится при -помощи струи проточной воды на расстоянии 70—80 мм от го­

Значения ударной вязкости металла сварного шва и зоны тер­ мического влияния приведены -в табл. 24.

153

Влияние механической обработки швов и местной термической обработки сварных соединений на статическую прочность. В. И. Но­ виковым .в Институте электросварки им. Е. О. Патона были прове­ дены опыты по выявлению влияния механической обработан швов и местной термической обработки сварных -соединений на их ста­ тическую прочность при —40° С применительно к стали марки М16С (ГОСТ 6713-53) толщиной 36 и 45 мм. Механическая обра­ ботка заключалась в создании плавного перехода от швов к ос­ новному металлу при помощи шлифовального камня. Сварка об­ разцов производилась электродами марки УОНИ-13/45. Испыта­ ния прказали, что механическая обработка в ряде случаев может эффективно повысить статическую прочность сварно-го соедине­ ния. Местная термическая обработка сварных соединений при по­ мощи газосварочной горелки или наплавки валиков автоматом под флюсом марки АН-348 -с использованием проволоки Св08ГА при токе 775—800 а, напряжении 34—36 в и скорости' перемещения автомата 22 м/ч. Испытание образцов производилось при темпе­ ратуре —40°С. Оно' показало, что местный -нагрев опасных участ­ ков сварного соединения до температуры 850—1000° С повышает их пластические свойства и статическую прочность соединения.

ВЛИЯНИЕ НАКЛЕПА

Влияние наклепа на склонность сварных соединений к хрупко­ му разрушению. Исследованием влияния наклепа на склонность сварных соединений к хрупкому разрушению занимались мно­ гие ученые Советского Союза [77]. На практике отдельные сварные конструкции, кроме вибрационных нагрузок, испытывают нагрузки в -виде ударов и толчков. Последние, особенно в условиях низких температур, могут приводить к хрупкому разрушению. На­ клеп при помощи пневматического молотка повышает усталостную прочность сварных соединений, поэтому была поставлена задача определить влияние наклепа на склонность сварных соединений к хрупкому разрушению. Испытание сварных тавровых соединений из стали марки МСт.З и стали, легированной марганцем (до 1%), проводилось .на маятниковом копре. Образцы сваривали электродуговой сваркой вручную. Ударные испытания осуществлялись в температурном интервале от +20 до —60° С. Испытания показа­ ли, что наклеп увеличивает склонность сварного соединения к хрупкому разрушению. Происходит резкое снижение ударной вязкости (во всем указанном температурном интервале) в 2 раза и более. Критическая температура хрупкости, при которой удар­ ная вязкость становится ниже 2 кГм}см2, повышается на 30—50° С. •Следовательно, нельзя рекомендовать применение наклепа в свар­ ных соединениях, эксплуатируемых при низких температурах и подвергающихся хотя бы случайным ударам и толчкам.

Влияние наклепа, вызываемого обрезкой кромок листов на ножницах. Часто применяемая обрезка стальных листов под сварку

154

на ножницах сопровождается значительным наклепом и возникно­ вением -мелких надрывов «а кромке листов, вызывающих сниже­ ние .пластических свойств стали. Такой наклеп может оказать влияние на прочность лишь нахлесточных соединений, в которых один из швов выполняется прерывистым, поскольку .при других видах соединений обрезанная кромка оплавляется в процессе сварки. Следует учесть, что такого рода соединения имеют боль­ шое количество концентраторов напряжений в местах обрыва пре-, рывистых швов. На концах этих швов часто встречаются дефекты сварки в виде трещин, надрезов, пор и т. д.

Исследованиями [6] Института электросварки им. Е. О. Патона было установлено, что местная пластическая деформация, вызван­ ная обрезкой металла на ножницах, снижает статическую и вибра­ ционную прочность мартеновской и особенно бессемеровской стали обычной выплавки. Им было предложено подвергать дополнитель­ ной механической обработке кромки листов, не подлежащие сварке после обрезки их на ножницах.

Дополнительной механической обработке также следует под­ вергать кромки отверстий после пробивки их на прессе в ответ­ ственных конструкциях. Б. Ф. Лебедевым в Институте электро­ сварки проведены статические испытания при низких температурах нахлесточных соединений, в которых усилия действуют вдоль шва. Один шов соединения выполнялся .прерывистым, кромки металла обрезались на ножницах или подвергались строжке на строгаль­ ном станке. Исследовали бессемеровскую и мартеновскую стали, химический состав и механические свойства которых приведены в табл. 25.

Наложение сплошного шва производилось на автоматах под флюсом марки ОСЦ-45 с применением проволоки марки Св08; на­ ложение .прерывистого шва производилось либо также на автома­ тах, либо вручную с использованием электродов марки УП-2/45.

155

Испытания образцов при температуре —40° С показали, что прочность и пластичность нахлесточных соединений с обрезанной кромкой значительно ниже, чем у соединений со строганой кром­ кой. В отдельных случаях нахлесточные соединения с обрезанной кромкой и с одним прерывистым швом хрупко разрушаются при низких температурах.

ДЕФЕКТЫ СВАРНЫХ ШВОВ

Различные дефекты сварных швов -в виде трещин, непроваров, шлаковых включений и т. д. являются опасными, потому что они служат концентраторами напряжений. В случае расположения этих дефектов па участках с высокими местными напряжениями они могут при низких температурах приводить даже при неболь­ ших рабочих напряжениях к хрупкому разрушению.

Проф. Г. А. Николаев считает, что -наличие дефектов в сочета­ нии с низкой окружающей температурой способствует переходу конструкций из пластического состояния в хрупкое и тем самым создает условия, при -которых остаточные напряжения являются опасными для прочности. В исследованиях Института электросвар­ ки, а также во многих других исследованиях показано, что нали­ чие пор в стыковых швах не снижает статической прочности соеди­ нений из мостовой стали успокоенной плавки как при комнатной, так и при низкой температурах (до —40°С).

Исследования ученых позволили установить, что поры и шла­ ковые включения в стыковых швах снижают усталостную прочность лишь тогда, когда они находятся в зоне концентрации напряжений. А. В. Фабишевский (Польша), исследуя влияние де­ фектов, обнаруженных методом дефектоскопии, на работоспособ­ ность сварных конструкций при статических нагрузках, показал, что форма дефекта оказывает весьма большое -влияние на, концен­ трацию напряжений. Например, норы и шлаковые включения круг­ лой формы создают значительно меньшую концентрацию напря­ жений, чем эллиптические поры и шлаковые включения удлинен­ ной формы. Наибольшую концентрацию напряжений создают де­ фекты, имеющие значительную длину (трещины и непровары).

Непровары и подрезы. Исследованиями МВТУ установлено, что в малоуглеродистых сталях непровар корня стыкового шва, ослаб­ ляющий его сечение на 10—15%, не оказывает заметного влияния на статическую прочность соединения при комнатной и низкой тем­ пературах. Однако подобные дефекты сильно снижают пластиче­ ские свойства соединения и понижают его усталостную прочность примерно в 2 раза.

И. И. Макаров [113] установил, что наличие в стыковом шве одностороннего -непровара, который и-ногда не удается выя­ вить даже 'рентгеновским просвечиванием, -вызывает значительную концентрацию напряжений и резкое понижение местных пластиче­ ских свойств соединений, в особенности при низкой температуре

156

испытания. Усталостная .прочность сварных швов, при наличии непровара в корне шва, равного от 5 до .10% от толщины нгза, по­ нижается почти в той же степени, как и при непроваре, равном 20— 25%. Работы И. И. Макарова [113] и других ученых установили, что влияние непроваров наименее резко проявляется на величине предела прочности при статических нагрузках.

И. Л. Перлисом в Ленинградском 'кораблестроительном инсти­ туте проводилось исследование влияния различных дефектов в швах на их прочность применительно к сварным конструкциям же­ лезнодорожных металлических пролетных строений, изготовленных из спокойной мостовой стали и работающих под действием дина­ мических нагрузок при температурах от +40° до —40° С [136].

Результаты статических испытаний показали, что подрезы и непровары, расположенные поперек действующего усилия и ос­ лабляющие сечение шва примерно на 10—12%, не уменьшают ста­ тической прочности соединения при температурах до —40—50° С, но они снижают его деформационную способность. Устранение под­ реза путем зачистки или заварки, удаление непровара вырубкой и последующей заваркой восстанавливают деформационную спо­ собность соединения. Разрушение в.етом случае носит вязкий ха­ рактер и происходит по наименьшему сечению образца.

Поры. В Институте электросварки Г. В. Жемчужников исследо­ вал влияние пор на прочность швов при температуре до —40° С. Исследованию подвергались швы, расположенные поперечно и продольно относительно .направления действующей силы. Разру­ шение было хрупким. Установлено, что в поперечных швах поры уменьшают -предел текучести соответственно уменьшению живого сечения образцов; наблюдалось также резкое понижение удлине­ ния до 3,7% и сужения до 6,3%, в продольных швах предел теку­ чести и предел прочности уменьшаются незначительно, но пла­ стичность резко подает. Снижение механических свойств швов из-за пор объясняется тем, что они являются концентраторами на­ пряжений; кроме того, около них наблюдается ликвация. В даль­

значительно возрастает, начиная с температуры испытания, соот­ ветствующей хрупкому характеру разрушения [47].

В. В. Шеверницкий и Г. В. Жемчужников установили, что зна­ чительное влияние дефектов -наблюдается только при хрупком характере разрушения, а при вязком характере разрушения свар­ ных швов влияние дефектов почти всегда находится в зависимости от уменьшения .ими живого сечения шва. Резкое уменьшение проч­ ности сварных соединений возможно лишь при наличии резких кон­ центраторов (каковыми могут быть и дефекты сварки), распола­ гающихся поперек действующей силы, и .при хрупком состоянии металла. При наличии только одного концентратора напряжений, даже в виде хрупкой трещины, при температуре —60° С прочность металла не падает ниже величины предела текучести. Лишь при

157

наличии остаточных напряжений, определенным образом направ­ ленных к силовому потоку и концентратору напряжений, и опре­ деленной низкой температуры, .предел прочности катастрофически

уменьшается [189].

С целью уменьшения влияния пор в швах следует применять

вии весьма пластичного металла сварные швов (относительное удлинение свыше 30%) даже в ответственных конструкциях, экс­ плуатируемых при низких температурах, можно допустить нали­ чие единичных пор в швах. Поры недопустимы в таких конструк­ циях, если пластичность металла -сварного шва не превышает^ 18— 20%, что наблюдается при сварке с малой погонной энергией. В этом случае устранение дефектов является обязательным, для чего рекомендуется их вырубка и последующая заварка швов. Не допускается широко распространенный в 'производственной прак­ тике способ исправления пористости шва при помощи заварки от­ дельных пор точками, так как при этом -прочность не .повышается, а пластичность сварного соединения даже снижается. В отдельных случаях можно рекомендовать местную термическую обработку пористых участков шва с нагревом до температуры 800—1000° С. Проведение этого мероприятия дает возможность обеспечить но­ минальную прочность и пластичность сварного соединения.

Остаточные напряжения в сварном соединении с продольными швами не оказывают влияния на его статическую прочность при наличии пор в швах и условий низкой температуры. Статическая прочность поперечных стыковых швов, имеющих -поры, понижается по мере ослабления ими рабочего сечения шва. В связи с этим ука­ зывается на ограниченное допущение пор в поперечных стыковых

швах (в количестве, которое ослабляет рабочее сечение шва -не свыше чем на 5%).

Комплексные исследования влияния пор, шлаковых включений; и трещин. Исследованиями А. И. Кедрова [62]; [63], И. И. Мака? рова [113] и др. [116] установлено, что иногда стыковые соеди­ нения с крупными дефектами обеспечивают долговечную работу конструкций. Это обстоятельство заставило более глубоко изу­ чить физическую сущность явлений. Оказалось, что образцы из. стыковых соединений, испытанные ’ только статической нагруз­ кой при низких температурах, разрушались хрупко и, как пра­ вило, по основному металлу, независимо от наличия дефектов; в металле шва. Стыковые соединения, подвергнутые перед стати­ ческими испытаниями при низких температурах вибрационным ис­ пытаниям при комнатных температурах, разрушались так же, как: образцы, испытанные при положительных температурах, т. е. с- вытяжкой образца и образованием шейки после излома. Большаячасть образцов при этом разрушалась, как и в первом случае, вда­ ли от -стыка. Отдельные образцы имеют одновременно структуры!

158

вязкого и хрупкого излома. Подобная смешанная структура была обнаружена на некоторых изломах образцов, которые разрушались по стыкам от усталостных трещин.

А. И. Кедров [63] предполагает, что наличие двух структур связано с предварительной работой испытуемых образцов под действием вибрационной нагрузки. Так как зоны мелкозерни­ стой структуры обнаружены главным образом вблизи от воз­ никших при пульсации трещин, в тех местах, в которых под неодно­ кратными воздействиями переменной нагрузки протекал наиболее интенсивно процесс накопления пластических деформаций, то и происхождение таких участков с мелкозернистой структурой мож­ но связать с явлениями усталости металла, т. е. с явлениями, про­ исходящими при вибрационной нагрузке.

Результаты испытаний показали, что дефекты в виде пор, шла­ ковых включений и т. д. в стыковых швах не могут резко снизить прочность сварного соединения не только при положительной, но и при отрицательной температуре. Наличие в швах и вблизи от них пор небольшого размера (до 5 мм) также не снижает при низкой температуре статическую прочность и в ряде случаев, как показа­ ли опыты, не служит очагом излома стыка. Наличие крупных на­ чальных усталостных разрушений в стыках в виде трещин приво­ дит к изломам по местам их расположения, что указывает на не­ допустимость трещин в стыковых соединениях, несмотря на то, что даже в этом случае основные показатели прочности остаются до­ статочно высокими и нередко отвечают техническим условиям.

Полученные данные, имеющий большое практическое значение, позволяют: более обоснованно подходить к оценке значения дефек­ тов в сварных швах конструкций, установить степень реальной опасности использования таких конструкций, а также к назначе­ нию допусков по дефектам в сварных швах, работающих при низ­ ких температурах.

ЭЛЕКТРОШЛАКОВАЯ СВАРКА

Технология электрошлаковой сварки среднелегированных сталей. В Институте электросварки им. академика Е. О. Патона [98] было проведено исследование технологии электрошлаковой свар­ ки среднелегированных хромоникельмолибденовых улучшенных сталей марок 25ХЗНМ, 30Х2НМ и др., которые находят широ­ кое применение при изготовлении крупных ответственных кон­ струкций. Полученные результаты исследований позволили сде­

пряжением 40 б, со скоростью подачи электродной проволоки 40 м/ч. В табл. 26 приведены полученные величины ударной вязкости сварных соединений при различных видах термической обработки. Опыты показали, что свойства участков околошовной зоны прак­ тически не зависят от режима электрошлаковой сварки; полное

159

восстановление показателей ударной вязкости в средних и конеч­ ных участках зоны достигается высоким отпуском (нагрев до 600°С, выдержка в течение 3 ч, охлаждение в воде). Высокий от­ пуск улучшает вид излома образцов, который при комнатной тем­ пературе испытания становится волокнистым, но при низких тем­ пературах испытания в изломе, как правило, обнаруживаются ос­ тровки кристалличности. Свойства во всех участках околошовной зоны полностью восстанавливаются только после закалки (нагрев до 870° С, выдержка 6—7 ч, охлаждение в воде) и последующего высокого отпуска. Однако осуществить подобную термическую об­ работку многих конструкций весьма затруднительно, а иногда и не­ возможно. Поэтому для получения в околошовной зоне хороших механических свойств без последующей закалки исследователями рекомендуется применение трехслойной электрошлаковой сварки, при которой участок крупного зерна в основном металле устра­ няется непосредственно при сварке; тогда для сварных соединений конструкции после сварки требуется лишь высокий отпуск. Иссле­ дователями высказывается предположение, что при разработке соответствующей сварочной аппаратуры представится возмож­ ность выполнить трехслойный шов за один проход и тогда по тру­ доемкости способ трехслойной электрошлаковой сварки почти не будет отличаться от обычной однослойной сварки.

Электрошлаковая сварка стали марки М. С. А. Островской (Ин­ ститут электросварки) разработана технология электрошлаковой сварки стали марки М. Опыты производились на листовом прокате толщиной 70, 90 и 160 мм. При сварке использовался флюс марки

проволока диаметром 3 мм марок Св10Г2 и Св08, химический сос­ тав которых приведён в табл. 27.

160