книги / Сварка при низких температурах

лителей, даже таких сильных, -как кремний и алюминий. В швах, выполненных проволока-ми марок -СвШГС и Св08ГС, содержание марганца находится в «пределах 0,5—0,8%. Некоторое повышение содержания марганца по сравнению ic указанными пределами (до 0,8—•1,2%) уменьшает склонность к образованию горячих трещин и повышает работоспособность шва при низких и высоких тем­ пературах. Вообще марганец при его содержании до 0,65% поло­ жительно влияет .на механические свойства свариваемой стали, од­ новременно уменьшая склонность металла к хрупкому разруше­ нию. Дальнейшее повышение марганца (до 1,3—*1,5%) также оказывает положительное влияние при условии, что содержание углерода в стали одновременно снижается до 0,12—0,14%.

Конечно, точное процентное содержание углерода, кремния и марганца может быть установлено только применительно к ста­ лям определенных марок. На практике известны исключения из приведенных выше положений. Существует много хорошо свари­ вающихся сталей с более высоким процентным содержанием уг­ лерода, но в определенном соотношении с содержанием марганца.

зали положительное влияние марганца при определении склонно­ сти малоуглеродистой стали к хладноломкости. При испытании на ударную вязкость образцов Менаже было установлено, что чем больше отношение содержания марганца к углероду, тем ниже по­ рог хладноломкости. Например, при соотношении .марганца к уг­ лероду, равным 4,8—5, порог хладноломкости находится ниже —•60° С, при соотношении, равном 2,8—при —40е С, а при соот­ ношении 2,2—порог хладноломкости равен —20° С. Следователь­ но, повышенное содержание марганца при одинаковом содержа­ нии углерода и кремния, снижает склонность стали к хладнолом­ кости.

Для определения влияния повышенного содержания марганца (0,51—1,07%) и добавки хрома в количестве от 0,9 до 1,03% к малоуглеродистой стали на ее склонность к хладноломкости, в од­ ном из научно-исследовательских институтов было проведено спе­ циальное -исследование. Опыты проводились на образцах из сталей марок 20, 20Х, 20Г и 20ХГ в отожженном и улучшенном состоя­ нии. При температурах испытания от +20 до —196° С определя­ лась величина работы разрушения и прочность при ударном и за­ медленном изгибе в зависимости от условий термической обработ­ ки. Испытания показали, что низколегированные стали лишь в тер­ мически обработанном состоянии имеют меньшую хладноломкость по сравнению с углеродистой сталью.

Менее изучено влияние у-глерода, кремния, марганца и соче­ тания этих элементов на температуру порога хладноломкости приавтоматической сварке, когда их содержание в швах изменяется в широких пределах. Проведенные с этой целью в 1955 г. А. Г. Ма-

4 V

зелем и Е. М. Роговой [93] испытания образцов, сваренных ма­ лоуглеродистой .проволокой под флюсом марки АН-348А (основ­ ной металл — пластины из стали МСт.З толщиной 10 мм), пока­ зали, что легирование швов углеродом, кремнием и марган­ цем, а также этими элементами в их различных сочетаниях, — приводит сначала к понижению температуры порога хладноломко­ сти, а при дальнейшем легировании к ее повышению. В этом слу­ чае легирующие элементы увеличивают сопротивление малым пластическим деформациям, что приводит к повышению хрупко­ сти при низких температурах. Более того, при сильном легирова­ нии образуются напряженные структуры — сорбит, троостит, мар­ тенсит, которые способствуют значительному повышению темпера­ туры порога хладноломкости. Большое значение как концентратор ры внутренних напряжений имеют -неметаллические включения, образующиеся при повышенном легировании марганцем и крем­

нием.

Поэтому для ответственных сварных соединений резервуаров и трубопроводов из малоуглеродистой стали, эксплуатируемых при низких температурах, рекомендуется небольшое дополнительное легирование марганцем.

Резервуары и трубопроводы надежно -работают при темпера­ туре до —70, —80° С, если в швах, выполненных автоматической ■сваркой, получается металл следующего -химического состава: не более 0,12% С; 1,2% Мп; 0,3—0,4% Si, не более 0,045% Р и “0,045% S.

По данным ВНИИСТа, более целесообразным является легиро­ вание марганцем через, проволоку, возможно, однако, легирование через флюс марки АН-348А при условии добавления к нему фер­ ромарганца.

ВЛИЯНИЕ АЛЮМИНИЯ И ТИТАНА

При раскислении алюминием образующиеся нитриды алюми­ ния -измельчают зерно и тем самым Повышают ударную вязкость и снижают склонность спокойных сталей к хрупкому разрушению. Алюминий, кроме того, способствует получению мелкозернистой структуры феррита.

ность металла. Алюминий, являясь энергичнымраскислителем, способен эффективно предупреждать образование пор.

Наименьшей склонностью к хладноломкости обладает сталь* раскисленная алюминием, со сравнительно низким содержанием углерода.

Подобно алюминию на свойства шва влияет титан. Благопри­ ятное влияние титана как раскислителя находится в пределах 0,02—0,04%, хотя некоторые исследователи допускают 0,06% Ti. Кроме того, титан способствует повышению устойчивости дуги.

42

ВЛИЯНИЕ ФОСФОРА И СЕРЫ

Весьма существенным для свойств .стали при низ.ки<х темпера­ турах является содержание серы и особенно фосфора; количество каждой из этих примесей не должно превышать 0,04%. Кроме то­ го, сера не должна располагаться в стали в виде отдельных скоп­ лений или сульфидных строчек, резко ухудшающих свойства ме­ талла.

Исследования М. М. Тимофеева [163] показали, что при увели­ чении содержания фосфора в малоуглеродистом шве с 0,03 до 0,068% происходит резкое повышение температуры порога хладно­ ломкости (соответственно с —60°С до +10°С).

Вредное влияние фосфора в сочетании с повышенным содержа­ нием -кислорода особенно резко проявляется в томасовской стали, которая содержит почти в 2 раза больше кислорода, чем мартенов­ ская сталь, и поэтому гораздо чувствительнее к хрупкому разру­ шению.

ВЛИЯНИЕ МОЛИБДЕНА И НИКЕЛЯ

Н. А. Лангером и И. И. Фруминым (84] было установлено влия­ ние молибдена на структуру и свойства швов при сварке под флю­ сом. Опыты производились на -пластинах из стали марки 15ХСНД толщиной 12 мм. При сварке использовали флюс марки АНГ10 и малоуглеродистую проволоку диаметром 5 мм. Легирование шва производилось путем введения в разделку кромок дозированных порций ферромолибдена, причем содержание молибдена в свар­ ных швах колебалось от 0 до 1,65%.

Опыты показали весьма сильное действие молибдена, особенно на ударную вязкость при низких температурах. При содержании в металле сварного шва. 1,65% Мо ударная вязкость при пониже­ нии температуры от +20 до —40°С практически не снижалась и составляла в среднем -около 10 кГм/см2.

По вопросу о влиянии никеля -на свойства сварного шва нет достаточно четкого мнения. Некоторые исследователи указывают, что присутствие в шве свыше 2—2,5% Ni приводит к образова­ нию трещин и снижению механических свойств. Однако практика сварки аустенитных сталей типа 1Х18Н9, имеющих значительно большее количество .никеля (до 8—9%) п-ри большом количестве хрома, опровергает это положение.

ВЛИЯНИЕ МЫШЬЯКА

В последнее время в нашей стране и в странах социалистиче­ ского лагеря увеличивается использование для выплавки металла руд с повышенным содержанием мышьяка. В связи с этим пред­ ставляет интерес влйяние мышьяка на различные свойства стали, в том числе и на сварку, а также на свойства сталей при низких температурах. Исследовав мартеновскую и томасовскую стали,

43

ГЛАВА IV

ВОПРОСЫ ТРЕЩИНООБРАЗОВАНИЯ И МЕРЫ БОРЬБЫ С ТРЕЩИНАМИ

ГОРЯЧИЕ ТРЕЩИНЫ

Одной из важнейших проблем в области повышения прочности сварных конструкций является борьба с образованием горячих трещин в металле сварного шва.

Условиям образования горячих трещин посвящено много работ советских и зарубежных ученых.

А.А. Алов (1941 г.), К. В. Любавский (1946 г.), Д. М. Рабкин,

И.И. Фрумин (1950 г.) и др. объясняют образование горячих тре­ щин при сварке наличием жидких меж1кристаллит.ных прослоек в уже затвердевшем металле три появлении внутренних термических

напряжений.

Иченые утверждают, что повышенное количество микроскопиче­ ских шлаковых включений вызывает увеличение склонности свар­ ных швов к горячим трещинам (150].

Они также считают, что в стальных конструкциях трещины яв­ ляются следствием собственных напряжений сварки [157].

* Ученые считают, что одним из основных показателей сваривае­ мости металлов при дуговой сварке является их сопротивляемость образованию горячих трещин, возникающих в процессе затверде­ вания расплавленного металла [79].

В условиях выполнения сварки при низких температурах эта проблема приобретает особое значение, так как повышенная хруп­ кость сталей три этом может приводить в ряде случаев к образо­ ванию трещин в шве и зоне термического влияния.

Среди многих .работ, посвященных данной проблеме, особо сле­ дует отметить исследования, проведенные в Институте электро­ сварки им. Е. О. Патона, Институте металлургии АН СССР, МВТУ им. Баумана, ЛПИ им. М. И. Калинина и др., которые позволили создать теорию трещинообразования при сварке и наметить меры, предупреждающие возникновение трещин. Приведенные материа­ лы по разрушению сварных конструкций при низких температурах показывают, что обычно разрушения .происходят в местах с боль­ шой концентрацией напряжений. Такими местами могут быть на­ пример, переходы от одного сечения к другому (конструктивный

45

фактор), или различные дефекты сварки (технологический фак­ тор). Резкими концентраторами напряжений являются мелкие трещины, которые образуются в .процессе сварки, они представля­ ют одну из наибольших опасностей. В процессе сварки в швах мо­ гут образовываться трещины, невидимые снаружи и выходящие на поверхность только при эксплуатации конструкций.

Такие трещины весьма часто являются очагами полного раз­ рушения при низких температурах, так как в них происходит зна­ чительное местное повышение напряжения.

ХОЛОДНЫЕ ТРЕЩИНЫ

Многолетние исследования А. М. Макара в Институте электро­ сварки им. Е. О. Патона по кинетике структурных превращений и напряженного состояния околошовной зоны закаливающихся ста­ лей, которые находят все большее и большее применение в совре­ менной технике, дали возможность составить новые представле­ ния о природе и механизме образования холодных околошовных трещин. Установлено, что эти трещины возникают в результате за­ медленного разрушения перегретого и закаленного в особых усло­ виях металла околошовной зоны под действием сложных напря­ жений, развивающихся в указанной зоне. Показано также, что кинетика превращения переохлажденного аустенита в околошов­ ной зоне определяется не только составом стали и термическим циклом сварки, как полагали раньше, но и циклом упруго-пласти­ ческих деформаций, которые развиваются в этой зоне в процессе сварки.

Для установления влияний температуры на образование тре­ щин в околошовной зоне стыковые соединения стали марки 35X3H3M с ферритным швом подвергались нагреву и заморажи­ ванию после того, как температура сварного соединения понижа­

с целью обеспечения равномерности их подогрева, а заморажива­ ние производилось при помощи погружения в ванну, наполненную

Опыты показали, что при температуре —70° С процесс образо­ вания трещин совершенно подавляется в продолжении всего пе­ риода пребывания образца при указанной температуре. После размораживания процесс образования трещин протекает более интенсивно, чем до замораживания. В случае замораживания до более высокой температуры, например, до —20° С, образование грещин полностью не устраняется, но вместе с тем при указанной температуре развитие трещин значительно замедляется. После­ дующее размораживание и в этом случае ведет к бурному росту трещин приблизительно аналогично тому, как и после заморажива-

46

ния до температуры —70° С. Также заметно ослабляет образова­ ние трещин поддержание температуры образцов в пределах от 120» до 130° С, достигаемой обогревом в продолжении нескольких ча­ сов. Действие выдержки при указанных температурах сказывает­ ся двояко: при обогреве трещины не растут, а по его окончании увеличиваются значительно медленнее. Подавление образования; т.рещин тем больше, чем' продолжительнее пребывание образца при повышенной температуре.

Влияние вибрации 'сварного соединения на процесс образова­ ния трещин определялось путем обстукивания шва пневматиче­ ским молотком или шлифовкой наждачным кругом. Использовался также ультразвук для обработки поверхности околошовиой зоны. Было установлено, что обстукивание в течение 9 мин или шлифов­ ка с удалением усиления шва устраняет трещины в сварных сое­ динениях с ферритными швами. К значительному замедлению ро­ ста трещин приводит обстукивание в течение менее 9 мин, а также1 ультразвуковая обработка околошовиой зоны. Результаты, полу­ ченные А. М. Макара, а также разработанная им методика иссле­ дования закаленной стали представляют помимо научного инте­ реса большое практическое значение, так как позволяют устано­ вить влияние низких температур и вибрации на повышение сопро­ тивляемости закаленного металла замедленному разрушению.

Предложенные практические рекомендации позволяют -назначать, оптимальную технологию сварки закаливающихся сталей и в каж­ дом конкретном случае выбирать -наиболее целесообразный опособ предупреждения околошовных*трещин.

Результаты исследования дают возможность рекомендовать но­ вые методы борьбы с околошовными трещинами, например, уси­ ленное легирование ферритных швов, которое благоприятствует также получению равнопрочных соединений. Эту операцию целе­ сообразно выполнять для конструкций, подвергающихся после сварки термообработке. Использование для борьбы с околошовны­ ми трещинами непродолжительного пребывания сварного соеди­ нения при температурах порядка 100-^200° С позволяет в отдель­ ных случаях отказаться от предварительного подогрева сваривае­ мых изделий до высоких температур и термической обработки их после сварки. Установлено, что при многослойной автоматической сварке толстолистовой стали марки ЗОХГСНА, используя локаль­ ный саморазогрев около шва при ускоренном наложении отдель­ ных слоев, можно и IB случае применения ферритной проволоки устранить образование закалочных околошовных трещин. Реко­ мендуемый метод борьбы с околошовными трещинами легко ис­ пользовать при многодугавой, газоэлектрической сварке, сварке раздвинутыми дугами, когда можно установить необходимое рас­ стояние между ними, не сталкиваясь с трудностями, вызванными необходимостью удаления шлаковой корки.

По мнению А. М. Макара, длительная задержка сварного сое­ динения при температуре порядка 100—200° С в отдельных случаях

47

даст возможность кроме устранения трещин, отказаться также от высокого отпуска сварных соединений после сварки.

Ценность данного исследования заключается еще и в том, что оно позволяет в ряде случаев отказаться от применения низководородистых материалов и аустенитной проволоки, а также от по­ догрева изделий перед сваркой. Результаты этого исследования положены в основу решения Координационного совещания по сварке высокопрочных сталей и проблеме холодных трещин, со­ стоявшегося в ноябре 1959 г. в Киеве — в Институте электросвар­ ки им. Е. О. Патона.

ДВА ЭТАПА ХРУПКОГО РАЗРУШЕНИЯ

В Институте электросварки Б. С. Касаткиным проведено ис­ следование хрупкого разрушения металла малоуглеродистых свар­ ных швов [56]. Химический состав металла шва: 0,05% С; 0,5% Мп; 0,22% Si; 0,032% S; 0,038% Р. Исследовались стыковые соединения пластин толщиной 16 мм с V-образной разделкой. Материал—тех­ ническое железо с содержанием 0,05% С, 0,19% Si и ОД.1% Мп. Сварка производилась под флюсом АН-348А малоуглеродистой проволокой диаметром 5 мм. Режим сварки: ток 750 а, напряже­ ние дуги 36 в, скорость сварки 18 MJH. С целью усиления химиче­ ской неоднородности и увеличения размера ферритных зерен ме­

талла «сварного шва стыки пла­ стин перед сваркой подогрева­

температуры хрупкости данного типа образца. Из деформирован­ ных образцов вырезались продольные шлифы, примерно по цен­ тру образца. Первичная и вторичная структуры выявлялись путем электролитического травления в различных реактивах.

Результаты испытания металла свар«но:го шва «на ударную вяз­ кость показаны на фиг. 12, из которой видно, что критическая тем­ пература хрупкости металла равна — 20° С. Установлено, что хруп-

48

кое разрушение при ударном изгибе сварных надрезанных образ­ цов из технического железа происходит в той же последователь­ ности, что и у образцов из мартеновской горчекатаиой малоугле­ родистой стали. Первый этап крупного разрушения — предразрушение, три -котором возникает пластическая деформация и обра­ зуются микротрещины под надрезом, второй этап — развитие ос­ новной хрупкой трещины (т. е. собственно хрупкое разрушение), которая начинается с образования вязкой трещины у дна надреза. Наличие двух этапов свидетельствует о том, что хрупкое разру­ шение нельзя рассматривать как непрерывный процесс, который начавшись, должен обязательно завершиться полным разрушени­ ем. При определенных условиях возникшая трещина может не развиться. В процессе исследования выявлено влияние шлаковых включений и химической неоднородности на характер разрушения и показано, что микротрещины проходят главным образом по по­ граничным зонам участков с повышенным содержанием легирую­ щих элементов.

НЕКОТОРЫЕ ОТЕЧЕСТВЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Г. В. Сутыриным под руководством ироф. Г. А. Николаева в МВТУ им. Баумана была разработана специальная методика, ко­ торая позволяла получить качественную и количественную оценку влияния низкой температуры в процессе сварки на сопротивляе­ мость металла шва образованию горячих трещин. Для определе­ ния влияния низких температур на образование горячих трещин при сварке была изготовлена специальная установка. В работе был использован предложенный Н. Н. Прохоровым метод эталон­ ного ряда электродов.

В этой работе были поставлены специальные опыты по изуче­ нию термического цикла, т. е. изменения температуры по времени в заданной точке с целью выяснения влияния исходного теплового •состояния свариваемого металла на образование горячих трещин. При этом термический цикл измеряли в пределах от +18 до ‘—40° С. Было получено также экспериментальное подтверждение влияния скорости охлаждения на механизм образования горячих трещин, ранее подсчитанного по теории распространения тепла при сварке. Установлено, что при сварке конструкционных среднеуглеродистых и малоуглеродистых сталей при -низких температу­ рах горячие трещины образуются в швах, выполненных электро­ дами, обеспечивающими отсутствие горячих трещин металла шва при сварке в нормальных условиях. Наибольшее, влияние низкой температуры при сварке на уменьшение сопротивляемости метал­ ла шва образованию горячих трещин наблюдается в соединениях из специальной стали мартенситного класса и углеродистой стали с -содержанием углерода 0,49%, а наименьшее влияние — в мало­ углеродистых сталях. Элементы большой толщины более склонны к образованию горячих трещин в процессе сварки при низких тем­ пературах, чем элементы средней толщины. Химический состав

стали оказывает большее влияние на образование горячих трещин, чем металлургический процесс сварки. Сравнительно небольшое отклонение содержания химических элементов в электродной про­ волоке различных плавок, в значительной мере изменяет сопро­ тивляемость металла шва образованию горячих трещин. Установ­ лено также, что изменением погонной энергии при сварке можно заметным образом повышать сопротивляемость металлашва об­ разованию горячих трещин. Указано, что сварку малоуглеродистой и среднеуглеродистой стали при температурах до —40° С целесо­ образно проводить электродами марки УОНИ-13/45. Показано также, что трещинообразование стали марки СХЛ-2 с понижением температуры окружающего воздуха три сварке, увеличивается и в этом случае, образуются главным образом горячие трещины.

О б р а з о в а н и е г о р я ч и х т р е щ и н п р и с в а р к е с т а л и 12НЗ. М. М. Тимофеев [163], указывает на большую чувстви­ тельность хладностойкой стали марки 12НЗ к образованию го­ рячих трещин, обусловленную присутствием в ней сульфидов никеля, которые дают при затвердевании легкоплавкие прослой­ ки, а также отмечает сильное влияние углерода на склонность

углерода свыше 0,1%, часто наблюдаются горячие трещины. При введении в наплавленный металл некоторых элементов можно до­ биться того, что швы будут практически нечувствительны к обра­ зованию горячих трещин. Например, при ручной сварке стали мар­ ки 12НЗ даже таких весьма жестких соединений, как тавровые, не было обнаружено горячих трещин ори введении в металл шва до 1,5—2,0% Мп, или 0,7—0,9% Мо или 0,30—0,40% Va или 0,20— 0,30% Ti. Как известно, указанные элементы являются ка!рбидообразующими. Поэтому для предотвращения образования горячих трещин требуется тем меньшее содержание элемента, чем больше его карбидообразующая способность, т. е. сродство к углероду.- Очевидно указанные элементы еще в жидком состоянии частично связывают углерод в карбиды, которые, будучи весьма тугоплав­ кими, являются дополнительными центрами кристаллизации при застывании сварочной ванны и способствуют более равномерному распределению углерода. Однако для получения высокой ударной вязкости стали марки 12НЗ при весьма низких температурах (на­ пример, —160°С), это мероприятие нельзя осуществить, так как указанные элементы в тех концентрациях, которые необходимы для предотвращения образования трещин, резко уменьшают удар­ ную вязкость. Следовательно, борьбу с горячими трещинами .при сварке стали марки 12НЗ можно вести путем жесткого ограниче­ ния содержания в ней углерода и серы. Применение при сварке стали марки 12НЗ электродной проволоки с содержанием углеро­ да не более 0,06%, серы — не свыше 0,025% и алюминия для мо­ дификации сварного шва дает возможность получать металл шва без горячих трещин.

50