книги / Сварка при низких температурах

лись нагружению до 22 кГ[мм2 для снятия остаточных напряже­ ний, и их 'предел прочности при всех температурах был не ниже 40—42 кГ/мм2.

В образцах, сваренных автоматом под флюсом, температура,, при которой влияние остаточных напряжений оказывается на ста­ тической прочности, ниже, чем в подобных же образцах, но сварен­ ных электродами УП-2/45 вручную. Следовательно, автоматическая сварка под флюсом может быть эффективной мерой борьбы с хруп­ ким разрушением сварных конструкций.

Из зарубежных работ по определению -влияния остаточных на­ пряжений на статическую прочность отметим исследования Грина

Образны со снятыми остаточными напряжениями при —50° С вы­ держали нагрузки, превышающие предел текучести. Эти исследо­ вания также указывают на то, что остаточные напряжения могут резко снизить статическую прочность металла.

Кроме остаточных собственных напряжений, хрупкое разруше­ ние могут вызвать реактивные собственные напряжения. Это пока­ зал Г. Е. Кеннеди (США) [64] на специальных образцах (фиг. 11). Внутри жесткой рамы приваривается стыковыми швами стальная пластина, имеющая в середине надрез; в процессе сварки в пласти­ не возникают реактивные напряжения. При малом радиусе закруг­ ления надреза в охлажденной до значительной температуры пла­ стине возникает хрупкая трещина, которая идет от надреза поперек пластины.

Если пластина приваривается со всех четырех сторон, то трещины образуются как вдоль, так и поперек пластины. В случае надреза в пластине в виде круглого отверстия не представляется возможным .получить хрупкую трещину при понижении температу­ ры и .пластины до —70° С.

31

Таким образом, реактивные напряжения могут вызывать хруп­ кое разрушение сварной конструкции при наличии острых надре­ зов и значительном понижении температуры. Температура, при ко­ торой может проявляться влияние реактивных напряжений, зави­ сит от чувствительности данной стали к надрезу, т. е. от ее хими­ ческого состава, механических и др. свойств.

ХРУПКИЕ РАЗРУШЕНИЯ СУДОВЫХ КОНСТРУКЦИИ

Опасность хрупких разрушений в сварных соединениях судо­ вых конструкций обусловлена сваркой элементов больших толщин из трудносвариваемых сталей, работающих при высоких напряже­ ниях, переменных нагрузках и при низких температурах. Чем бли­ же температура службы корабля к температуре нижнего предела хладноломкости стали, из которой он изготовлен, тем более вероят­ ны хрупкие разрушения. Как показывают многочисленные иссле­ дования, остаточные напряжения сами по себе не являются причи­ ной хрупкого разрушения. Больше всего велика опасность хруп­ кого разрушения в верхней (надводной) части судна, так как здесь, особенно в судах, связанных с плаванием в Арктике, имеется веро­ ятность непосредственного воздействия весьма низких температур. При переходе сварного соединения в хрупкое состояние, кроме низкой температуры, имеют значение толщина листов металла и на­ личие и степень остроты надрезов. Некоторое влияние остаточных напряжений можно отметить лишь в зоне хрупкого состояния при наличии надрезов.

Поэтому следует избегать сварки при жестком закреплении де­ талей. Особенно не рекомендуется применять хладноломкие стали в сложных сильно напряженных соединениях. Нельзя применять для изготовления корпусов судов стали, имеющие температуру нижнего порога хладноломкости выше чем температура, при кото­ рой судно будет находиться в условиях эксплуатации. Кроме того, весьма большое значение имеет предупреждение возникновения концентраторов напряжений в сварных соединениях.

Технические условия польского судостроения предусматривают применение для сварных судов стали, успокоенной только крем­ нием, как более дешевой по сравнению со сталью, успокоенной кремнием и алюминием. Вместе с тем другое требование Техниче­ ских условий, а именно — испытание стали для ледоколов на удар­ ную вязкость при температуре —40° С с показателем не меньшим 3 кГм/см2 не всегда может быть удовлетворено при использовании стали, успокоенной только кремнием. Это обстоятельство заставило искать новые композиции сталей, подвергающихся действию .низ­ ких температур.

Весьма высокие требования к судостроительным сталям, особен­ но в отношении хладноломкости, предъявляются и в других стра­ нах: в США, Англии, Японии, Франции, Норвегии, Швеции и т. д- В отечественном судостроении разработаны стали и сварочные ма-

32

териалы, исключающие хрупкие разрушения сварных конструкций при их эксплуатации.

Одкже [122], рассматривая 'причины разрывов и трещин, возни­ кающих в подводных частях, во внутренних перегородках, палу­ бах судов и танкеров считает, что их появление вызывается в ос­ новном колебаниями температур конструкций и зависит от характе­ ристики металла, а именно от критической температуры перехода из вязкого в хрупкое состояние. Он указывает, что критическая тем­ пература повышается по мере увеличения толщины металла (начи­ ная от 16 мм).

Вместе с тем, Одиже указывает, что хрупкие разрушения про­ исходят в местах концентраций напряжений, обусловленной не­ правильной конструкцией или дефектами сварки. Рассматривая роль остаточных напряжений в подводной и надводной, внутренней и внешней частях корпуса, в открытых палубах и надпалубных надстройках судов, он также приходит к выводу, что наибольшая опасность хрупкого разрушения имеется в верхней (надводной) части судна.

Для снижения напряжений, возникающих в сварных швах, Одиже рекомендует избегать двусторонней («защемленной») свар­ ки, применять стали повышенного качества, а для участков конст­ рукций, подве|ргающихся растяжению, не использовать стали, у которых критическая температура выше ожидаемой температуры службы конструкции.

Гаррис и Вильямс [28], рассматривая проблему хрупкого разру­ шения корпусов кораблей на основании исследования причин ава­ рий с кораблями типа Либерти, Виктория и танкерами типа Т-2 по­ казали, что главными факторами, обусловливающими сопротивляе­ мость хрупкому разрушению, являются конструктивное оформление корпусов кораблей, исключающее или снижающее до. минимума наличие концентрации напряжений в металле наружной обшивки корабля, а также качество постройки, особенно сварки и сопротив­ ляемость судостроительной стали хрупкому разрушению. Они ука­ зывают, что во время второй мировой войны большое количество аварий происходило вследствие весьма высоких концентраций на­ пряжений в некоторых частях корпуса корабля, а также вследствие низкой сопротивляемости стали хрупкому разрушению. Во время войны судостроение США не могло быть обеспечено мартеновской спокойной сталью, используемой другими отраслями промышлен­ ности, поэтому корабли строились из кипящей мартеновской стали. В послевоенные годы в судостроении стали применяться сначала полуспокойная сталь, а в настоящее время только спокойная сталь, строго регламентируемая по химическому составу, механическим свойствам и ударной вязкости при низких температурах.

В СССР для изготовления одной из ответственных частей кор­ пуса атомного ледокола «Ленин» — форштевня, который воспри­ нимает большие ударные нагрузки во время движения ледокола во льдах, была разработана новая низколегированная сталь марки

СЛ2 (1,15—1,55% Ni; 0,64-1,0% Мп; 0,8—1,1 %'Cu; 0,3% Сг). Удар­ ная вязкость этой стали при —40° С не ниже 3 кГм/см?. Ввиду значйтельных размеров форштевня отливка и транспортировка его представляли много трудностей, поэтому решено было изготовить его сварно-литым.

Успешная сварка частей форштевня производилась с использо­ ванием электродов марок УОНИн13/45А и УОНИ-.13/55. Механиче­ ские свойства сварных соединений обеспечили требуемые характе­ ристики, в том числе и ударную вязкость при низкой температуре.

О НЕКОТОРЫХ ЗАРУБЕЖНЫХ РАБОТАХ ПО ВОПРОСАМ ХРУПКОГО РАЗРУШЕНИЯ МЕТАЛЛОВ

В некоторых странах (Франция, Швеция и др.) работы по ис­ следованию 'прочности сварных конструкций привели к разработке особой методики определения номинального сопротивления отрыву (Нурен [120] и др.) и критической температуры хрупкости по точке пересечения кривых номинального сопротивления и предела проч­ ности в зависимости от температуры. Диаграммы номинального сопротивления позволили создать теорию зарождения и распрост­ ранения хрупкого разрушения и возможностей его остановки при температурах ниже критических температур хрупкости.

Кребс и Хенш [81] (ГДР) отмечают, что при сварке жестко за­ крепленных деталей могут возникать значительные реактивные на­ пряжения (теория советского ученого Н. О. Окерблома), которые в ряде случаев являются причиной хрупкого разрушения сварных конструкций, особенно при их работе в условиях низких темпера­ тур. В ряде случаев в области сварного шва эти напряжения дости­ гают, как правило, предела текучести и не оказывают существен­ ного влияния на прочность и эксплуатационную надежность свар­ ной конструкции. Однако, в сочетании с многоосным напряженным состоянием, внешними и внутренними надрезами и структурными изменениями собственных напряжений могут явиться причиной хрупкого разрушения, особенно при низких температурах. Рапац (Австрия) считает причинами разрушения сварных конструкций склонность сталей к хрупкому разрушению, конструктивные ошиб­ ки и некачественное выполнение сварки.

• Кихара и Масубути [66] (Япония), рассматривая условия воз­ никновения хрупкого разрушения сварных конструкций в зависи­ мости от сочетания различных факторов, — пришли к следующим выводам:

1. Если в сварной конструкции отсутствуют резкие концентра­ торы напряжения, то разрушение три любой температуре можно осуществить только при напряжении, соответствующем пределу прочности металла сварной конструкции, независимо от наличия или отсутствия остаточных напряжений;

2. При наличии концентраторов напряжения и отсутствии оста­ точных напряжений (например, снятых термической обработкой),

34

сварная конструкция может быть разрушена при 'напряжении пре­ дела (прочности, если наинизшая температура эксплуатации выше критической температуры перехода металла сварной конструкции

вхрупкое состояние;

3.При тех же условиях, что и в только что рассмотренном слу­ чае, но при наинизшей температуре эксплуатации разрушение мо­ жет произойти -при напряжении предела текучести;

4.При наличии концентраторов напряжения и . остаточных на­ пряжений разрушение будет иметь место при напряжении, равном пределу прочности, если наинизшая температура эксплуатации будет больше критической температуры перехода металла свар­ ной конструкции в хрупкое состояние.

Вслучаях, указанных в пунктах «1», «2», «4» разрушение име­ ет вязкий характер, а в случае «3»— хрупкий; но в эксплуатации хрупкое разрушение маловероятно;

5.При тех же условиях, что в случае «4», но при критической температуре перехода металла сварной конструкции.з хрупкое со­

останавливается на некотором расстоянии от места ее возникнове­ ния (обозначим эту температуру Т0), может происходить частичное хрупкое разрушение в эксплуатации при напряжении значительно меньшим, чем предел текучести;

6. В условиях, аналогичных предыдущему, но при наинизшей температуре эксплуатации большей Т0 в зависимости от соотноше­ ния ожидаемого нанвысшего рабочего напряжения и критического напряжения, при котором начавшаяся трещина полностью рас­ пространяется, могут происходить в эксплуатации два вида хруп­ кого разрушения сварной конструкции, а именно: п о л но е — при ожидаемом наивыошем рабочем напряжении, равном или большем критического напряжения, и ч а с т и ч н о е — при ожидаемом, наи­ высшем рабочем напряжении, большим критического напря­ жения.

Этот вид хрупкого разрушения является наиболее опасным и в то же время, по мнению Кихара и Масубути, чаще всего встречае­ мым в. эксплуатации..

Вопросами хрупкого разрушения сварных соединений, в том числе и вопросами испытания сварных соединений при низких тем­ пературах, играющими весьма важную роль при хрупком разруше­ нии, занимается Международный институт, сварки, в частности его IX комитет. Этот Комитет сообщал, например, в 1956 г. об иссле­ дованиях, проведенных во Франции и США с целью установления соотношений между значениями ударной вязкости при испытании образцов Шарли с V-образиым надрезом и образцов с ключевым надрезом при низких температурах. Кроме того, исследованиями определялись взаимосвязь между критическими температурами перехода стали в хрупкое состояние, полученными при испытании указанных образцов. Статистические обработки результатов испы-

таний дали 'возможность построить номограмму, связывающую критические температуры перехода в хрупкое состояние малоугле­ родистой кипящей полуопокойной и спокойной мелкозернистой стали при том и другом виде надреза.

IX Комитетом Международного иститута сварки также выра­ ботаны рекомендации по выбору и классификации сталей для сварных конструкций, основанные на результатах анкеты, которая была разослана членам Международного института сварки, рас­ пространяющиеся на малоуглеродистую и низколегированную мар­ ганцовистую сталь, .применяемым при строительстве мостов, яри сварке металлоконструкций, гидравлических устройств, железно­ дорожного подвижного состава, резервуаров (баков-хранилищ), корпусов судов и корпусов машин. Рекомендации, разработанные IX Комитетом Международного института сварки являются руко­ водством при выборе стали для сварки покрытыми электродами. Эти рекомендации IX Комитета Международного института свар­ ки суммируют основные требования, предъявляемые к сталям в отношении их свариваемости. В основу выбора стали для каждого указанного назначения положена степень ее свариваемости тем или иным способом сварки. Каждой группе свариваемости соот­ ветствуют определенные технологические мероприятия с целью предупреждения образования трещин, появления .хрупких (зака­ лочных) структур и склонности к хрупкому разрушению, т. е. при выборе стали принимаются во внимание склонность стали к трещинообразованию (например, к образованию горячих трещин), склон­ ность к образованию яри сварке зон твердых и хрупких структур (например, образование мартенсита закалки) и, как уже указыва­ лось, склонность к хрупкому разрушению. Предотвращение влия­ ния этих факторов зависит от свойств стали, от формы и толщины сварной конструкции и технологии сварки. Возможность образо­ вания трещин обусловлена свойствами -стали в состоянии постав­ ки; сложностью и жесткостью конструкции; характером и величи­ ной .нагрузок конструкции и температурой ее работы, а также осо­ бенностями использования металла и технологией сварки.

■При выборе ‘Необходимой технологии должны быть учтены свойства стали в состоянии поставки, конструкции и изделия, род и величина эксплуатационных нагрузок и рабочая температура изделия, а также влияние различных технологических приемов сварки. Главным критерием при работе стали является ее чувст­ вительность к надрезам, а также ее химический состав и -однород­ ность. Указанные стали разделяются на четыре группы — А, В, С и Д, — различающиеся главным образом по склонности к хрупко­ му. разрушению;

К группе А относятся стали, удовлетворяющие умеренным тре­ бованиям в отношении прочности и обладающие некоторой надеж­ ностью в отношении хрупкого разрушения. Стали этой группы га­ рантируют лишь некоторую безопасность с точки зрения образо­ вания трещин и пор при сварке,

36

К группе В относятся стали, применяемые в конструкциях с уме­ ренными напряжениями и средней толщиной элементов. Эти стали применяются в тех случаях, где не могут применяться стали груп­ пы А.

Стали группы С и Д являются сталями повышенного качества, хорошо сопротивляющиеся надрезу; применяются для конструкций, в которых важно предотвратить хрупкое разрушение при различ­ ных температурах эксплуатации.

Кгруппе С относятся стали, обладающие повышенной ударной вязкостью, используемые в конструкциях ответственного назначе­ ния, с высокими напряжениями; эти стали используются в конст­ рукциях, в узлах которых могут возникать хрупкие разрушения при комнатной или повышенной температуре. Стали группы С га­ рантируют сравнительно небольшое сопротивление хрупкому раз­ рушению.

Кгруппе Д относятся высококачественные стали, обладающие повышенной ударной вязкостью. Стали этой группы должны при­ меняться для случаев, где вследствие больших толщин сваривае­ мых деталей, жесткости конструкции или условий эксплуатации требуется высокая сопротивляемость хрупкому разрушению. Слег довательно, важнейшим условием сталей этой группы является стойкость против хрупкого разрушения, поэтому эти стали гаран­ тируют значительное сопротивление хрупкому разрушению. Пред­ варительный .подогрев, а также наличие последующей термиче­ ской обработки, онижанощие остаточные напряжения, позволяют применять сталь ниже классом, т. е. дают возможность в некото­ рых случаях применять сталь труппы С вместо стали группы Д или сталь группы А вместо стали группы В. Содержание марганца в

■сталях группы В, С, Д должно быть в зависимости от содержания углерода, а содержание кремния — от типа покрытия электродов. Установлены пределы содержания углерода, серы и фосфора для сталей с нормальной прочностью (до 52 кГ/мм2) и повышенной прочностью (до 65 кГ/мм2).' Испытанию на хрупкое -разрушение подлежат лишь стали группы С и Д; причем минимальные значе­ ния ударной вязкости, имеющие наибольшее практическое значе­ ние для группы С при 0°С должны быть на образцах Шарпи (с U-образным надрезом) не менее 3,5 кГм/см2, а для стали груп­ пы Д такое же значение ударной вязкости должно быть при тем­ пературе —20° С. Указанные рекомендации обсуждались на кон­ грессах Международного института сварки в 1955 г. в Цюрихе,

в1956 г. в Мадриде и в 1957 г. в Эссене.

ВГДР, по данным Катиера [60], при выборе материалов при проектировании сварных стальных конструкций руководствуются следующими критериями: а) склонностью стали к хрупкому раз­

37

выводы

Изучение аварий сварных резервуаров, судов, мостов, трубо­

концентрации и способствует аварии изделий. Особая опасность хрупких разрушений для сварных конструкций объясняется тем, что они часто имеют дефекты в виде трещин, • пор, непроваров, подрезов и др. как в шве, так и в околашовной зоне, что создает благоприятные условия для возникновения трещин, и их распрост­ ранения из одной -части конструкции в другую через соединитель­ ные швы. В этом отношении, клепаные конструкции -находятся в лучших условиях, так как отдельные элементы в них, не имеющие сплошной связи друг с другом, в ряде случаев ,не дают возможно­ сти трещине распространяться по всей конструкции.

*щин наблюдается в резервуарах, построенных -полностью п-ри низ­ ких температурах, т. е. зимой; 33% трещин приходится на резер­ вуары, .построенные частично в зимних и частично в летних услови­ ях и только 14% трещин приходится на резервуары, построенные полностью при положительных температурах. Аналогичная кар­ тина наблюдалась и при анализе хрупких разрушений американ­ ских судов. На основе анализа многочисленых случаев разрушения сварных резервуаров и трубопроводов А. С. Фалькевич и М. И. Анучк-ин показали, что трещины появляются в зимнее вре­ мя и в подавляющем большинстве случаев в резервуарах, постро­ енных в районах с устойчивыми низкими температурами (Урал* Сибирь, Башкирия, Среднее Поволжье и т. д.). Указывается, на­ пример, на одновременное появление трещин при температуре окружающего воздуха —43°С в целом ряде резервуаров емкостью по 5 тыс. л*3, -построенных в восточных районах, а также на возник­ новение т.рещин длиной свыше 2 м по основному металлу и по вертикальным швам при резком понижении температуры до —54° С в резервуарах, построенных в северных районах СССР [173].

4. Анализ причин аварий сварных конструкций, -вызванных понижением температуры, показывает, что разрушения происхо­ дят обычно в местах концентрации напряжений. Как правило, тре­ щина начинается в околошовной зоне, где имеется острый надрез либо резкий переход от металла шва ж -основному металлу, и рас-

38

ГЛАВА III

ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА МЕТАЛЛА НА ЕГО ХРУПКОСТЬ

ВЛИЯНИЕ УГЛЕРОДА, КРЕМНИЯ И МАРГАНЦА

Повышенное содержание углерода увеличивает склонность к образованию горячих трещин и снижает пластические свойства стали. Поэтому, нап-ример, в электродных проволоках, ’предназна­ ченных для сварки малоуглеродистых сталей, содержание угле­ рода допускают не выше 0,10—0,12%.

Для предупреждения образования .пор следует ограничивать содержание кремния 0,6%. При содержании более 0,6% увеличи­ вается склонность к образованию горячих трещин и снижаются пластические свойства металла шва.

В работах Института электросварки им. Е. О. Патона отмеча­ лось, что значительное повышение кремния в сварных швах, вы­ полненных автоматической сваркой, приводит к. понижению пла­ стических свойств соединения, снижению ударной вязкости, а так­ же к сдвшу порога хладноломкости в область более высоких тем­ ператур.

Вместе с тем сведений о влиянии повышенного количества кремния и марганца в сварных швах на механические свойства со­ единений, выполненных ручной сваркой, не имелось.

Для опытной проверки указанного положения были сварены образцы из стали Ст.4 толщиной 12 мм электродами ’ чехосло­ вацкого изготовления (марки Э42), которые обеспечивают по­ вышенное содержание кремния и марганца в наплавленном ме­ талле. Для еще большего увеличения-количества этих элементов в первом слое шва сварка производилась по пучку присадочной про­ волоки, легированной марганцем и кремнием.

Результаты испытаний показывают, что в швах, выполненных ручной сваркой повышение содержания кремния до 0,5%. при од­ новременном' повышении содержания марганца до 0,8% не сни­ жает ударной вязкости соединений и не -повышает критической температуры хладноломкости.

Марганец обладает сравнительно низкой индивидуальной раскислительной способностью, но усиливает действие других раскис-

40 .