Повышение прочности сварных соединений

В результате металлургического и термического циклов сварки образуется достаточно прочное соединение, отличающееся закономерным распределением структур. Общий случай строения металла шва и околошовной зоны при однопроходной электродуговой сварке малоуглеродистой стали показан на рис. 15. В образующемся при сварке соединении (рис. 15, а) четко различаются следующие зоны:

1. Сварной шов (наплавленный металл). Эта зона имеет характерное столбчатое строение, указывающее на направленность кристаллизации при переходе в твердое состояние (рис. 15, б). В металле шва, как правило, наблюдаются неметаллические включения, газовые раковины, усадочные и ликвационные явления, характерные для отливок.

2. Зона неполного расплавления. Она примыкает непосредственно к наплавленному металлу и имеет очень небольшие размеры, соответствующие температурному интервалу ликвидус - солидус. Отличается ярко выраженным крупнозернистым строением с видманштеттовой структурой.

3. Зона перегрева (рис. 15, в). При сварке эта зона была нагрета ниже температуры солидуса. Строение характеризуется крупным размером зерна и видманштеттовой структурой. По мере удаления от металла шва величина зерна уменьшается. Зона перегрева наряду с участком неполного расплавления вызывает охрупчивание сварного соединения, особенно при повышенном содержании углерода (ударная вязкость сталей с 0,2—0,45% С в этом участке составляет примерно 2—3 кГм/см ² или 0, 19—0,29 Мдж/м ²). Уменьшить зону перегрева, достигающую иногда 3—4 мм и более, можно или повышением скорости сварки или увеличением числа проходов.

4. Зона нормализации (рис. 15, г). Участок мелких зерен, образовавшихся в результате полной перекристаллизации основного металла в процессе нагрева до температур, несколько превышающих Ас ₃. Механические свойства металла этой зоны превышают свойства основного металла, ширина зоны в зависимости от размера швов — от десятых долей миллиметра до нескольких миллиметров.

5. Зона неполной перекристаллизации (рис. 15, д). Эта зона подвергается нагреву в температурном интервале Ас ₁— Ас ₃. Она характеризуется сочетанием новых измельченных зерен со старыми исходными зернами основного металла. Ширина зоны составляет обычно 0,1—0,5 мм.

Рис. 15. Макро- (а) и микроструктуры (б — е) сварного шва. Общий случай:

б — наплавленный металл; в — зона перегрева; г — зона нормализации; д — зона неполной перекристаллизации; е — основной металл

6. Зона рекристаллизации. Эта зона, обычно небольшая (до 1—1,5 мм), выделяется только при сварке предварительно наклепанного металла и отличается отсутствием текстуры деформации.

7. Зона синеломкости. Участок металла, расположенный непосредственно за зоной рекристаллизации, нагревающейся при сварке до температур около 200—400° С. Определяется обычно по появлению синих цветов побежалости. По микроструктуре не имеет заметных отличий от исходного металла (рис. 15, е). Пластичность и ударная вязкость в этой зоне могут заметно снизиться в результате процессов, связанных с торможением перемещения дислокаций.

Физико-химические процессы, вызывающие образование описанной выше структурной неоднородности, обусловливают определенные свойства металла шва, зоны термического влияния и всего соединения в целом. Основной задачей, стоящей перед конструкторами и технологами, создающими ту или иную сварную конструкцию, является получение соединения, равнопрочного основному металлу в многообразных условиях эксплуатации. Долговечность и эксплуатационная надежность сварных конструкций определяются главным образом двумя группами факторов — конструктивными и технологическими. Рациональное конструирование сварных соединений должно обеспечить наибольшую равномерность распределения по сечению детали напряжений от внешних нагрузок, максимальное устранение концентраторов напряжений и уменьшение вредного влияния остаточных напряжений.

При соединении двух стальных полос приварными накладками наиболее равномерное распределение напряжений в полосе достигается в случае приварки прямоугольной накладки фланговыми и лобовыми швами, а из различных форм накладок лучшей является ромбическая (в этом случае достигается благоприятное распределение напряжений).

Г. А. Николаевым установлено, что профиль лобового шва существенно влияет на величину наибольшего напряжения (рис. 16). Концентрация напряжений увеличивается при сваркё шва с профилями, показанными на рис. 16, б. Значительно улучшаются условия работы лобового шва, если он имеет форму неравнобедренного треугольника с основанием, равным 1,5—3,0 высоты.

Г. А. Николаев и А. С. Гельман рекомендуют следующие практические меры, уменьшающие вредные концентрации напряжений в сварных конструкциях: 1) сокращение скопления швов в изделии; 2) сокращение до минимума количества пересекающихся сближающихся швов, вызывающих пространственные остаточные напряжения; 3) сокращение до минимума количества сварных швов, образующих замкнутый контур; 4) обеспечение свободных деформаций в частях изделия при укладке швов.

Рис. 16. Напряжения в лобовых швах в зависимости от очертаний швов (по Г. А. Николаеву):

а — соединение; б — очертания лобовых швов

Сложной и во многом противоречивой является проблема влияния на прочность сварных соединений и конструкций собственных остаточных напряжений, возникающих в результате термического цикла процесса сварки. Несмотря на определенные разногласия по ряду частных вопросов, можно считать установленными следующие общие положения. Если конструкции изготовлены из достаточно пластичных материалов (например, малоуглеродистых или низколегированных сталей), т. е. если материал сохраняет способность к местным пластическим деформациям от внешней нагрузки, остаточные напряжения после сварки не оказывают существенного влияния на прочность не только при статическом, но и при динамическом нагружении. Если под влиянием тех или иных факторов (например, низких температур, резких концентраторов напряжений, применения прочных, но малопластичных сталей, больших скоростей нагружения и т. д.) возникают условия, способствующие хрупкому разрушению детали, действие остаточных напряжений проявляется весьма интенсивно.

Остаточные напряжения необходимо учитывать, когда они возникают в результате сварки в жестком закреплении (например, при выполнении монтажных стыков). В этом случае в зависимости от соотношения собственных сварочных напряжений и напряжений от внешней нагрузки может иметь место либо снижение, либо повышение прочности. Как показали работы Н. В. Кудрявцева,

Ф. Ф. Витмана и других исследователей, релаксация остаточных напряжений в естественных условиях в течение весьма продолжительного промежутка времени (до нескольких десятилетий) практически ничтожна.

Рис. 17. Влияние глубины механического (кривая 1) и оплавленного (кривая 2) надрезов на работу разрушения стали Ст. 3 (а) З5ХГСА (б) (по М. Н. Гапченко)

При любых вариантах нагружения остаточные напряжения сказываются вредными, когда сварная конструкция работает в агрессивной среде или в условиях глубокого холода (например, сосуды химической аппаратуры). Однако даже при самых удачных конструкторских решениях преждевременное разрушение сварных соединений может произойти в силу целого ряда причин технологического характера, обычно объединяемых общим понятием (качество сварки. Всевозможные дефекты сварки в виде трещин, непроваров, пор, неметаллических включений, подрезов и т. д. во многих случаях являются очагом концентрации напряжений и основной причиной выхода конструкции из строя. В непроварах с радиусом кривизны до 0,01 мм и глубиной, равной 50% общей толщины, расчетный коэффициент концентрации напряжений достигает 167; даже при радиусе кривизны 0,48 мм расчетный коэффициент концентрации напряжений продолжает оставаться достаточно высоким — около 23. При уменьшении глубины непровара расчетный коэффициент концентрации напряжений также снижается и при глубине 6-7% от общей толщины слоя в зоне выточки равен 4.

Наличие того или иного дефекта не обязательно ведет к разрушению сварного соединения. Опасность технологического дефекта, помимо степени пораженности им наплавленного металла, зависит также от свойства металла шва и условий эксплуатации конструкции. Если сварка производится качественным сварочным материалом, обеспечивающим высокое сопротивление металла шва распространению трещин, небольшие дефекты (единичные мелкие поры и неметаллические включения, небольшие непровары и даже волосные горячие трещинки) не оказывают заметного вредного влияния на свойства соединения. Однако с увеличением размера дефекта его вредное влияние увеличивается. Влияние глубины механического и оплавленного надрезов на сопротивление ударному изгибу образцов размером 10 × 10 × 55 мм из различных сталей показано на рис. 17.

У сталей с небольшой чувствительностью к надрезу, например малоуглеродистой стали Ст. 3 (0,14% С), сопротивление динамическим нагрузкам существенно снижается лишь при глубине надреза 30—50% от толщины образца. У сталей, обладающих повышенной чувствительностью к надрезу, например З5ХГСА (0,36% С), резкое охрупчивание происходит уже при надрезах, глубина которых составляет в среднем 5—10% толщины. Из всех дефектов наибольшую опасность представляют трещины, так как они обладают наименьшим радиусом кривизны.

В настоящее время разработан ряд технологических приемов, способствующих повышению эксплуатационной прочности сварных конструкций путем специальной обработки швов и зоны термического влияния.

К числу таких приемов относится создание на участках шва с пониженной пластичностью смягченного поверхностного слоя. Так как хрупкие материалы, как правило, начинают разрушаться с поверхности, повышение пластических свойств поверхностного слоя препятствует началу образования и развития трещин, уменьшает влияние концентраторов напряжений.

По Г. В Ужику, максимальная несущая способность цилиндрических образцов при растяжении обеспечивается при соблюдении следующих условий:

и ,

где R _а — сопротивление отрыву основного металла;

— предел текучести смягченного (обработанного) слоя;

t - глубина смягченного слоя;

а — расстояние от основания выточки до оси цилиндрического образца.

Наиболее часто смягчение поверхностного слоя производится с помощью местной поверхностной термической обработки. Об эффективности этого метода можно судить по следующим примерам. Б. С. Касаткин провел испытания на растяжение образцов из низколегированной стали I5ХСНД (НЛ-2), представляющих собой пластину с коротким ребром, приваренным фланговыми швами. Перед испытаниями образцы охлаждали до -50° С. После нагрева газовой горелкой участков с концентраторами напряжений (начала швов), выполненного таким образом, чтобы обеспечить полную перекристаллизацию верхнего слоя соединения на глубину 2,0— 2,5 мм, относительное удлинение возросло в 4,2—7,9 раза, а относительное сужение — более чем в 10 раз при практически неизменных пределах прочности и текучести. Разрушение образцов после термической обработки происходило пластично и вне швов. М. Н. Гапченко приводит данные, согласно которым нагрев газовой горелкой шва, выполненного сварочной проволокой Св-10Г2 под флюсом АН-8, до температуры 850—900° С и на глубину до 10 мм от поверхности позволил повысить ударную вязкость металла шва в среднем в 1,5 раза и обеспечить чисто вязкое разрушение.

Положительное влияние на сопротивление хрупкому разрушению оказывает наплавка пластичных поверхностных слоев металла сталь или чугун с низкой ударной вязкостью или же на участки, расположенные вблизи концентраторов напряжений.

Если сварке подвергают термически обработанные легированныс стали, в околошовной зоне образуется участок со структурой отпуска, обладающий пониженными свойствами, особенно при знакопеременных нагрузках. Восстановить свойства металла па этом участке можно только путем термической обработки (закалки и отпуска).

При сварке среднеуглеродистых и низколегированных сталей часто образуются подкаленные зоны, резко уменьшающие пластичность соединения. достаточно надежным средством улучшения свойств металла в этих участках является местный нагрев ниже температуры А _с1 (отпуск).

Разработаны также способы повышения сопротивления переменным нагрузкам соединений из малоуглеродистых сталей за счет пластической деформации поверхностного слоя металла шва, осуществляемой обкаткой роликами, обдувкой дробью, обработкой пневматическим молотком. При испытании с пульсирующей нагрузкой сварного двутаврового шва из стали Ст.3 без стыка с косынками, приваренными в тавр к горизонтальным листам, получены следующие результаты: количество циклов нагружения до начала разрушения после проковки шва пневматическим молотком составило 1 900 000, в то время как необработанные швы разрушались после 450 000 циклов нагружения.

Особенно эффективно наклеп поверхностного слоя сказывается на усталостной прочности тех соединений, которые выполнены с большими концентраторами напряжений. В табл. 7 приведены данные Г. А. Николаева по усталостной прочности сварных образцов.

Таблица 7

В некоторых случаях, когда пластическая деформация металла шва сопровождается нагревом или когда соединение работает при повышенных температурах, чрезмерный наклеп может сыграть отрицательную роль в результате старения и, как следствие, повышения критической температуры хрупкости. Это имеет место, например, у цветных металлов и сплавов.

Рассмотрим некоторые технологические методы снижения уровня собственных остаточных напряжений в сварных конструкциях. Важнейшими мероприятиями, позволяющими уменьшить величину остаточных напряжений, являются рациональный температурный режим при сварке, обеспечивающий максимальную равномерность нагрева, применение сопутствующего подогрева, оптимальное сочетание свойств основного и электродного материала, проведение сварочных операций в определенной последовательности. При сварке пластин из стали 35ХНЗМ с подогревом до 450° С максимальные растягивающие напряжения составили 28 кГ/мм ² (274,7 Мн/м ²), в то время как в неподогретом соединении они достигали 50—60 кГ/мм ² (490,5—588,6 Мн/м ²).

Полезную роль оказывает наложение на сварное соединение в процессе сварки нагрузки. В готовых сварных соединениях остаточные напряжения могут быть сняты или значительно уменьшены приложением внешней нагрузки, проковкой или обкаткой швов, общей или местной термической обработкой. Снятие остаточных напряжений в результате приложения внешней нагрузки объясняется местными пластическими деформациями в местах наибольших остаточных напряжений, суммирующихся с напряжениями от внешней нагрузки. Так, Е. О. Патон с сотрудниками добились практически полного снятия напряжений в стыковом соединении двух узких стальных полос при напряжениях выше предела текучести. Недостатками этого способа являются ухудшение пластических свойств соединения и трудность практического осуществления продольного нагружения реальных сварных конструкций.

Широко применяется метод снятия остаточных напряжений путем проковки или обкатки швов, основанный на создании в шве или околошовной зоне пластических деформаций, противоположных деформациям при сварке. По данным Н. О. Окерблома, проковка двух перекрестных швов у сварных пластин снизила напряжения в месте пересечения швов в 2—4 раза. Особенно эффективен этот метод при обработке еще не остывших швов.

Весьма надежным и технологически приемлемым способом снятия напряжений является термическая обработка — высокий отпуск при 600—650° С с последующим медленным охлаждением. Выдержка при температуре отпуска выбирается из расчета 2,5—З мин на каждый миллиметр толщины детали. Термическая обработка позволяет практически полностью снять остаточные напряжения, однако в случае сварки разнородных сталей (например, аустенитной и перлитной) этот метод не всегда оказывается достаточно эффективным.

Применительно к готовым сварным конструкциям большого размера или находящимся в эксплуатации могут быть рекомендованы методы, вызывающие частичное снятие или перераспределение остаточных напряжений. К числу этих методов в первую очередь относится местная поверхностная обработка участков сварных соединений пневматическим молотком или обдувкой дробью и местный сосредоточенный нагрев детали кислородно-ацетиленовым пламенем до температуры 650-700^о С на определенном расстоянии от сварного шва. Указанные способы позволяют устранить или значительно снизить уменьшение усталостной прочности деталей, вызванное процессом сварки, и получить сварное соединение с достаточно высокой степенью равнопрочности.