Свариваемость

Свариваемость — технологическое свойство материалов (металлов) или их сочетаний образовывать в процессе сварки соединения, отвечающие кон-

струкционным и эксплуатационным требованиям к ним. Это определение свариваемости следует отличать от свариваемости как простой возможности получить соединение. В настоящее время принципиально можно соединить сваркой большинство материалов, однако конструктора всегда интересует качество соединений.

Материал в процессе его сварки так или иначе изменяет свои свойства. Эти изменения зависят как от самого материала, его физико-химических свойств, так и от метода и режимов сварки. Причем следует учитывать, что степень воздействия на материал сопутствующих сварке явлений может быть весьма значительной. Поэтому без учета анализа свариваемости того или иного материала, условий, при которых происходит сам процесс сварки, особенностей конструкции сварного изделия или узла конструктор не может выбрать материал для изготовления изделия и рационально проектировать его.

Свариваемость — сложное, комплексное свойство материалов. Его нельзя определить каким-либо одним испытанием, одной методикой. Оценка свариваемости непосредственно связана с характеристикой материала, усло­виями его эксплуатации. Однако некоторые критерии оценки свариваемости являются достаточно общими для широкого круга металлов и сплавов. Рас­смотрим основные из них.

Изменение химического состава и распределение элементов в свар­ном соединении. Металл при сварке может достаточно сильно нагреваться, а при термических методах происходит его плавление на небольшом локаль­ном участке. В таких условиях химический состав металла изменяется. Сте­пень изменений зависит от химической активности самого металла, состава окружавшей температуры, качества подготовки поверхности металла под сварку, диффузионных процессов в сварочной ванне.

Влияние сварочного нагрева на структуру и механические свойства основного металла. Наиболее заметные изменения структуры и свойств наблюдаются в металлах, имеющих полиморфные превращения. Последние могут протекать с изменением или без изменения объема. Стали перлитного и мартенситного классов, например, относятся к сплавам, обладающим ярко выраженными свойствами полиморфизма с изменением объема структуры в пределах 3—5%. Титановые сплавы претерпевают полиморфные превраще­ния, сопровождающиеся незначительным изменением объема (0,15%); не имеют подобных превращений тугоплавкие металлы и некоторые сплавы цветных металлов.

Вне зависимости от наличия и характера полиморфных превращений различают в сварном соединении три основные области: первая — металл нагрет до температуры выше линии солидуса; вторая — металл нагрет до температур, достаточных для протекания фазовых превращений или процес­сов рекристаллизации; третья — с температурой ниже температуры протека­ния этих процессов. Первая область включает в себя собственно шов и зону

сплавления; вторая представляет собой зону термического влияния; третья — зону механического или термомеханического влияния. К третьей области примыкает ос­новной металл.

Рис. 26.1.Схема структур в околошовной зоне присварке сталей:/ — зона наплавленного металла; 2 — зона не­полного расплавления; 3 — зонаперегрева, 4 — зона нормализации; 5 — зона неполной перекри­сталлизации; 6 — зона рекристаллизации и вы­сокого отпуска; 7 — зона низкотемпературного отпуска

На рис. 26.1 приведена схема зон структурных изменений при­менительно к сварке углеродистой стали. Максимальные изменения структуры металла, его химиче­ского состава, а также вероят­ность возникновения различного рода дефектов наблюдаются в шве и зоне сплавления. Участок пере­грева характеризуется существен­ным увеличением зерна, наличием полных структурных и фазовых превращений. На участке полной перекристаллизации температура нагрева выше температуры фазовых превращений, однако интенсивность пре­вращений меньше, чем на участке перегрева, так же как и меньше время пребывания металла при этих температурах, поэтому существенного уве­личения зерна здесь не происходит. В рассматриваемых зонах закали­вающихся сплавов возможно образование типичных закалочных струк­тур. Связанное с этим снижение пластичности металла может служить причиной появления таких дефектов, как трещины, способствовать уменьшению прочности изделия.

В зоне частичной перекристаллизации в результате распада закалочных структур отмечается существенное снижение прочности металла, что необ­ходимо учитывать при сварке предварительно термообработанного или на­клепанного металла. Аналогичные явления могут наблюдаться в зоне высо­котемпературного отпуска. Зона низкотемпературного отпуска и механиче­ского влияния характеризуется менее существенными изменениями в метал­ле. В случае сварки металла в отожженном состоянии в этой зоне изменение свойств металла не фиксируется.

Участок основного металла, не подвергшийся расплавлению, структура и свойства которого изменились в результате нагрева при сварке, называют зоной термического влияния. Величина ее зависит от свойств материала, его толщины, способа и режима сварки, характера источников сварочной тепло­ты. Чем больше, например, концентрация теплоты источника нагрева, выше его температура, скорость сварки, тем меньше зона влияния. Так, при дуго­вой сварке она меньше, чем при газовой. Минимальная площадь нагрева

достигается при сварке электронным или световым лучами, обеспечиваю­щими высокую концентрацию тепловой энергии.

При снижении прочности материала в зоне высокого отпуска необходи­мо производить упрочняющую термообработку после сварки. Однако это не всегда возможно. Так, при изготовлении изделий больших габаритов из вы­сокопрочных материалов производить закалку после сварки трудно. Необхо­димо, кроме того, учитывать большую трудоемкость этой операции, существен­ные затраты на нее энергии и времени, а также деформацию изделия оттермообработки.

Другим способом повышения конструктивной прочности является фи­зическое упрочнение (нагартовка) шва и зоны термического влияния. Раз­личные варианты упрочняющей механической обработки, однако, примени­мы далеко не для всех конструкций. Высокая прочность изделий цилиндри­ческой формы обеспечивается применением спиральных швов. При «косом» расположении шва напряжения в нем, как известно, будут ниже, чем при продольном расположении швов.

Местное ослабление механических свойств металла, вызванное свароч­ным нагревом, компенсируется в ряде случаев утолщением сварных кромок, получаемых методом обработки металлов давлением или химическим фрезе­рованием. Однако при этом приходится считаться с неизбежным увеличени­ем массы конструкции и расхода металла.

На свойства сварного соединения влияет не только максимальная тем­пература, но и время пребывания металла в области повышенной температу­ры, так называемый термический цикл.

Структура и механические свойства сварного соединения изменяются не только под влиянием нагрева. Изменения происходят и при механических или термомеханических методах сварки. Часто повышение твердости и сни­жение пластичности в околошовной зоне происходит вследствие физическо­го упрочнения (наклепа). Подобные явления могут, например, иметь место при холодной и ультразвуковой сварке, когда процесс образования сварного соединения сопровождается значительными пластическими деформациями без существенного нагрева.

В связи с отличием механических свойств сварного соединения и ос­новного металла возникает необходимость в их оценке. Для этого проводят обычные механические испытания, однако образцы часто изготавливают таким образом, чтобы можно было определить механические показатели отдельных зон основного металла, примыкающего к шву, наплавленного металла или сварного соединения.

Наиболее ценными будут данные испытаний сварного соединения. Ко­эффициент прочности сварного соединения £ = '^с"Р^н°^{госмдиие1Д}" _{тем меньше}

а