книги из ГПНТБ / Елистратов, П. С. Сварка чугуна сталью

150

стинах 11 и 12 уже появляется графит. Ледебурит в зоне сплавления появляется в трех последних пластинах чет­ вертой партии (пластины 14, 15, 16). При этом в пласти­ не 14 был ледебурит, а в пластинах 15 и 16 — пластинча­ тый графит, во всех остальных — графит, а в зоне сплав­ ления — ледебурит.

Таким образом, ледебурит в металле зоны сплавле­ ния появляется при наличии в свариваемом металле уг­ лерода 2,5% и более. Присутствие кремния не способст­ вует снижению ледебурита, а даже иногда содержание ледебурита в зоне сплавления увеличивается с повыше­ нием содержания кремния. Отсюда вытекает, что полу­ чить структуру металла зоны сплавления с минималь­ ным содержанием ледебурита или даже без ледебурита легче при сварке низкокремнистых и низкоуглеродистых перлитных чугунов, чем при сварке ферритных. Приве­ денные выше данные получены при сварке ферритных чугунов с наибольшим содержанием углерода и крем­ ния. Это значит, что сварка выполнялась в неблагопри­ ятных условиях.

Значение технологических параметров сварки

П о л я р н о с т ь с в а р о ч н о г о тока. При свар­ ке чугуна этот параметр может иметь двоякое значение. Температура анода сварочной дуги несколько выше тем­ пературы катода, следовательно, при прямой полярно­ сти изделие может нагреваться несколько интенсивнее, чем при обратной. При этом сварочная ванна будет ох­ лаждаться медленнее, что благоприятствует устранению твердых структурных составляющих. Кроме того, в сва­ рочной ванне углерод находится в виде иона С4+, кото­ рый под влиянием постоянного электрического поля имеет тенденцию перемещаться по направлению к като­ ду. Это значит, что при сварке на прямой полярности ионы углерода будут стремиться всплыть, удаляясь из зоны сплавления в верхние слои ванны, где они более легко могут быть окислены. Поэтому сварка на прямой полярности обеспечивает благоприятную структуру зо­ ны сплавления, что подтверждается экспериментально.

Для выявления полярности тока производилась на­ плавка металла на торец чугунного образца (методику

151

см. в работе [72]) іі па чугунные пластины вручную и полуавтоматически. Полученные данные (рис. 37) пока­ зывают, что полярность сварочного тока оказывает не­ которое влияние на структуру металла зоны сплавления. При сварке па прямой полярности при одинаковых ус­ ловиях в структуре металла зоны сплавления меньше ледебурптных выделений, а цементптпые выделения ока­ зываются более топкими и мелкими.

выявления теплового воздействия наложения последую­ щих валиков производилась наплавка валиков па чу­ гунные пластины вручную и па полуавтомате в не­ сколько рядов и слоев. Многорядность п многослойность характеризуются последующим термическим воздействи­ ем на предыдущий шов. Это своеобразная термическая обработка сварного шва, при которой можно осущест­ вить два режима термообработки. Если после наложения валика шва делать перерыв в сварке до полного охлаж­ дения шва, то наложение последующего валика будет производить термическую обработку — отжиг или отпуск предыдущего, в том числе и зону сплавления. Если после наложения валика шва сразу же накладывать следующий на горячий предыдущий, то произойдет отжиг предыду­ щего валика и последующий накладывается на подогре­

влияние па структуру металла шва н зоны сплавления.

152

Эксперименты по исследованию этого вопроса пока­ зали, что пи миогорядпость, пп многословность заметно­ го влияния на уменьшение количества ледебурита в зоне сплавления не оказывают. По-видимому, это можно объ­ яснить тем, что при сварке чугуна применяются сравни­ тельно небольшие значения силы тока. Поэтому при на­ ложении последующего валика температура нагрева в зоне сплавления поднимается не очень высоко и держит­ ся кратковременно. Но для распада ледебурита нужны нагрев 900—950 °С и выдержка около часа. Поэтому при наплавке заметного распада ледебурита не наблюдается даже при таких режимах, которые явно способны на­ греть предыдущий валик. Например, первый валик на­ кладывался при нормальном режиме, а последующие — при повышенной силе тока или при меньшей скорости. При этом предыдущий валик разогревался до красного каления, и все же это не дало заметных результатов по снижению ледебурита. По-видимому, трудно ускорить распад ледебурита, хотя сама по себе карбидная фаза термодинамически не устойчива.

охлаждения. Но этот благоприятный фактор менее эф­ фективен, чем глубина проплавления, поэтому и реко­ мендуют применять меньшую силу тока.

скоростях сварки несколько снижается глубина проплав­ ления, сварочная ванна подвергается более интенсивно­ му силовому воздействию со стороны сварочного пла­ мени и процессы взаимодействия углерода и кислорода происходят в кинетическом режиме. Все это создает благоприятные условия для окисления углерода, пере­ мешивания металла ванны и почти полного устранения диффузионного слоя. Однако большая скорость охлаж­ дения, получающаяся при высокой скорости сварки, спо­ собствует закалке высокоуглеродистого сплава. Ледебу­

153

Глава IV

СВОЙСТВА МЕТАЛЛА СВАРНОГО ШВА

10. НАПРЯЖ ЕНИЯ И Д Е Ф О РМ А Ц И И ПРИ СВАРКЕ ЧУГУНА

Виды напряжений

Возникающие в сварном шве внутренние напряжения являются результатом неравномерного и неодновремен­ ного нагрева и особенно охлаждения отдельных объ­ емов металла смежных областей. Это сопровождается неодинаковыми изменениями этих объемов, вызывая появление внутренних сил или напряжений. Причины, вызывающие появление внутренних напряжений, связа­ ны с нагревом и охлаждением металла, но природа их разнообразна. В соответствии с этим в сварном шве раз­ личают напряжения: термические, фазовые и усадочные.

Термические напряжения образуются в результате нагрева до разных температур и охлаждения с разными скоростями при наложении данного шва отдельных эле­ ментов свариваемого изделия. Например, II участок зо­ ны термического влияния площадью F2 нагревается до более высокой температуры Т2, чем последующие, рядом расположенные участки площадью Fі с температурой Ть меньшей Т2. Естественно, от нагревания II участок рас­ ширяется (удлиняется), но этому препятствуют последу­ ющие участки, с которыми он связан. В результате оба смежных участка будут оказывать взаимное торможение, что и является причиной появления термических напря­ жений. Величину их можно выразить уравнениями:

напряжения в более нагретом участке шва

напряжения в менее нагретом участке шва

Fi + Fг

155

растягивающие напряжения, а в менее нагретом — сжи­ мающие. Растягивающие напряжения могут вызвать образование трещин в металле. Если температура на­ грева металла более 600 °С, то возникающие напряже­ ния будут вызывать пластическую деформацию нагре­ того металла, так как металл и даже чугун при этой температуре приобретают способность к деформации, хотя и не очень большую. Такая пластическая деформа­ ция ведет к снижению внутренних напряжений. При тем­ пературах металла ниже 600 °С пластичность металла, и особенно чугуна, очень мала, внутренние напряжения могут возрастать, достигая значительных величин. При превышении ими предела прочности металла внутренние напряжения могут разрушить металл, образуя трещины.

Величина возникающих внутренних термических на­

упругости, то в стальном шве (£ = 20 000—22 000 кГ/мм2) они будут больше, чем в чугунном (£ = 8000— 10 000 кГ/мм2). Однако при этом надо иметь в виду, что

кроме того, сталь более пластична. Поэтому образование трещин скорее может произойти в чугуне, чем в стали. Значению а также пропорциональны возникающие на­ пряжения. Для чугуна и стали этот коэффициент прибли­ зительно одинаков— (13—14) ■10~6, по для отдельных структурных составляющих металла он имеет разные значения: феррит — 12,5-10-6, перлит — 11,6 • ІО-6, аусте­ нит (18—20) • 10-6, мартенсит— 12-ІО-6, графит —

8 -10-6. Поэтому наличие в сварном шве различных струк­ тур может оказать влияние на величину напряжений.

Фазовые или структурные напряжения в металле приобретают особое значение при охлаждении его. В стали они связаны с превращением yFe-nxFe, а в чугунах, кроме того,— и с процессом графитизации. Фазовые напряжения возникают вследствие того, что различные структурные составляющие имеют разные удельный объем и механические свойства (табл. 14).

156

Т а б л и ц а 14

Плотность и объем структурных составляющих

Структурные составляю щ ие

Параметры

феррит аустенит перлит цементит мартенсит

точной пластичностью и изменение объема при превра­ щениях не вызывает напряжений. Однако при быстром охлаждении, свойственном сварке без подогрева и сварке на больших скоростях или малых токах, фазовые превращения происходят при более низких температу­ рах, что способствует появлению внутренних напряже­ ний. Особое значение при этом приобретают мартенсит­ ные превращения, происходящие при сравнительно низ­ ких температурах — около 300 °С и сопровождающиеся заметным увеличением объема. Поэтому мартенситные превращения часто являются причиной образования не только больших внутренних напряжений, но и трещин. Графитизацня чугуна также происходит с еще большим увеличением объема, но при высоких температурах. Та­ кое увеличение объема способствует снижению возни­ кающих напряжений.

Усадочные напряжения происходят при охлаждении жидкого металла и переходе его в твердое состояние. В результате изменяется объем металла, что можно ха­

Практически величину усадки определяют по началь­ ной /1 и конечной /о длине образца в заданном интервале

157

температур. При этом абсолютная величина линейной усадки

е = — 10 мм,

а относительная

е = І1~ 1° -100%. h

Усадка считается положительной (+ е) при 1\>Ій и отрицательной (—е) при / < / 0. Величина линейной усад-

Рис. 38. Линейная свободная усадка металла во времени: 1 — чугун с шаровидным графитом; 2 — чугун с пластинчатым графитом; 3 — белый чугун; 4 — сталь углеродистая

усадка различна для одного и того же металла. В соот­ ветствии с этим анализ усадки производят по отдельным периодам охлаждения [77].

Н а ч а л ь н а я у с а д к а . Рассматривается период снижения температуры до линии солидуса — до образо­ вания прочного металлического каркаса. Для большин­ ства металлов при этом наблюдается уменьшение линей­ ных размеров, а для серого чугуна, наоборот, увеличе­ ние из-за графитизации его и частично из-за выделения газов.

Д о п е р л и т н а я у с а д к а . Она охватывает ин­ тервал температур от линии солидуса до начала перлит­ ного превращения — около 700 °С. Изменение линейных размеров металла при этом происходит плавно, но вели*

158

чина усадки зависит от состава металла. При большом содержании в чугуне фосфора затвердевание фосфиднон эвтектики (1000—900 °С), сопровождающееся умень­ шением объема, может нарушить плавный ход кривой

усадки.

П е р л и т н а я у с а д к а . Эта усадка происходит при перлитном превращении в интервале 750—650 °С. Здесь может наблюдаться задержка ее, иногда даже отрица­ тельная усадка.

П о с л е п е р л и т и а я у с а д к а . При дальнейшем охлаждении происходит плавное уменьшение размеров. Для всех углеродистых сплавов величина послеперлит-

Втом случае, когда усадка встречает затруднения или препятствия (форм отливки, конфигурация шва при сварке), в отличие от свободной усадки рассматривают «заторможенную». Величина ее во всех случаях меньше свободной на 10—15%.

Всварном соединении в процессе сварки одновре­

менно могут возникать напряжения всех трех видов. Знак напряжений их может совпадать, что нежелательно, так как, суммируясь, напряжения могут достигать боль­ ших значений. Изменяя порядок наложения швов, мож­ но в известных пределах регулировать знак и величину возникающих напряжений, что находит практическое применение.

Из всех видов напряжений при сварке чугуна наи­ большее значение имеют усадочные. Именно они и явля­ ются основной причиной деформаций и образования трещин в сварном соединении. Особое значение это име­ ет для стального шва, так как усадка стали больше, чем чугуна. Поэтому представляет интерес изучить возника­ ющие внутренние напряжения и вызываемые ими дефор­ мации свариваемого изделия, а также трещины в свар­ ном шве. Величина возникающих напряжений определя­ ется многими факторами, поэтому трудно поддается математическому обобщению. В связи с этим для изуче­ ния вопросов, связанных с деформациями и их проявле­ ниями, чаще всего прибегают к экспериментированию.

159