В основного металла

единицы, чем более чувствителен металл к термическому циклу сварки.

Практика показывает, что механические свойства, определенные на стандартных образцах, часто не соответствуют прочности реальной сварной конструкции, что объясняется существенным различием характера напря­женно-деформационного состояния при испытании образцов и работе реаль­ной конструкции. Поэтому иногда механические испытания после сварки проводят на образцах, моделирующих с определенным приближением рабо­ту сварного соединения в конструкции.

В конструкциях часто необходимо определять прочность сварных со­единений при переменных нагрузках, стойкость к хрупкому разрушению, зависящую от остаточных сварочных напряжений и состояния околошовной зоны. Сопротивляемость хрупкому разрушению оценивается по величине работы динамического разрушения специальных образцов, в которых фор­мируют предварительно усталостные трещины или делают разного типа над­резы, представляющие собой концентраторы напряжений.

Деформации, напряжения и перемещения относятся к сопутствую­щим сварочным процессам, оказывающим отрицательное воздействие на конструкцию в процессе ее изготовления и в последующем, снижая ее экс­плуатационные характеристики, ухудшая качество. Так, напряжения в свар­ной конструкции уменьшают величину усталостной прочности, особенно если в сварном соединении имеется концентратор напряжений. В реальных конструкциях роль надреза, т. е. концентратора напряжений, может выпол­нять непровар, трещина и т. п. Форма шва также определяет характер рас­пределения напряжений: наличие усиления сверху и снизу шва вызывает в месте перехода от шва к основному металлу концентрацию напряжений.

Если в сварном элементе возникли сжимающие напряжения, они уменьшают его устойчивость, суммируясь с напряжениями от внешних сжи­мающих нагрузок. Возможна местная потеря устойчивости в сварных конст­рукциях только от воздействия внутренних сварочных напряжений.

Растягивающие напряжения, вызванные сваркой, могут стать причиной ускорения межкристаллической коррозии и коррозионного растрескивания, а при сварке металла больших толщин при наличии трехосного напряженного состояния — хрупких разрушений.

Пластические деформации и напряжения в сварной конструкции ухуд­шают технологическую прочность сварного соединения. В результате в швах или околошовной зоне могут образовываться трещины. Практика эксплуата­ции сварных конструкций свидетельствует о том, что напряжения снижают их сопротивляемость хрупким разрушениям. Они же могут искажать разме­ры конструкций и понижать точность изготовления из-за переопределения на­пряжений при снятии части металла в результате, например, обработки резанием.

Изменения формы и размеров изделия, вызванные сваркой, затрудняют сам процесс сварки, последующую сборку, ухудшают эксплуатационные характеристики изделия, его внешний вид.

Деформации. Процесс возникновения деформаций при сварке дос­таточно сложен. Его можно представить как следствие неравномерного на­грева, усадки расплавленного металла при его охлаждении и последующей кристаллизации, объемно-структурных превращений. Деформации принято делить на температурные, наблюдаемые и собственные.

Температурные деформации е_а определяются физической характери­стикой материала — коэффициентом его температурного удлинения а и температурой нагрева Т:

е„ = аГ.

Наблюдаемые деформации — это линейные е„ и угловые v„ изменения размеров сварного изделия.

Собственные (внутренние) деформации, существующие и без наличия внешних сил, представляют собой упругие Еулр и v_ynp и пластические г_т и v„„ деформации. Легко представить, что наблюдаемые линейные деформации ^eH = ^e_w ^{+ e}™ ^{+ e}«.^aугловые v.-v^ + v,,,.

Если под влиянием какого-нибудь процесса, например при сборке, воз­никли деформации Ео и v₀, предшествующие пластическим, то общая вели­чина наблюдаемых деформаций, линейных и угловых, возрастает на их ве­личину, т. е.

е=е +е +е+е„.

^VM ^{= V}y4> ^{+ V}IM ^{+ V}0 •

Напряжения. При анализе напряжений, вызванных сваркой, наи­больший интерес представляют собственные напряжения. Собственные на­пряжения в зависимости от характера сил, явившихся причиной образования напряжений, классифицируются следующим образом:

1) вызванные механическим упругим или пластическим деформирова­нием при сборке, монтаже и правке;

2) вызванные упругими и пластическими деформациями вследствие не­равномерного нагрева деталей;

3) возникшие в результате структурных и фазовых превращений вслед­ствие неравномерного изменения объема тел.

Собственные напряжения, уравновешенные в пределах макрообъема, относят к напряжениям 1-го рода, уравновешенные в пределах зерен — к напряжениям 2-го рода, в пределах кристаллической решетки — к напряже­ниям 3-го рода.

Напряжения, существующие только в период технологической операции или протекания физического процесса, например сварки, называют времен­ными. Остаточные напряжения сохраняются в конструкции в течение дли­тельного времени.

О i	Ен О
IIIIIIV л\	III
*шш		т
500 0С^||$5	00 °с^

Перемещения элементов свар­ных конструкций представляют собой про­гибы, углы поворота, укорочения и т. п. и являются следствием деформаций.

600 °с1

		-800 °С
		-400 °С -200 °С
	\ * /
	V /

Существует несколько методик оп­ределения временных и остаточных сва­рочных напряжений. Как правило, при определении деформаций и напряжений вводится ряд допущений, которые за­ключаются в том, что теплофизические характеристики металла, его модуль уп­ругости Е принимаются не зависящими от температуры, а предел текучести ст_т и пре­дел прочности о-_в — изменяющимися в соответствии с идеальной диаграммой упругопластического тела. Кроме того, принимается, что напряжения при сварке одноосны, поперечные сечения остаются в процессе деформирования плоскими, а температурное состояние в свариваемом элементе предельное.

Рис. 26.2. Образование остаточных напряжений и деформаций при не­равномерном нагреве: а — распределение температур и де­формаций в сечении /-/, б — темпера­турное поле в пластине при сварке, в — эпюра остаточных напряжений в пла-

Образование напряжений и дефор­маций вследствие неравномерного на­грева проиллюстрируем на примере свар­ки встык двух пластин (рис. 26.2).

Температурные деформации каждо­го волокна соответствуют температуре нагрева, что дает возможность построить кривую температурных деформаций

^Ен ^{= а}Т (на рис. 26.2, а, деформации стане

укорочения отложены вниз, удлинения —

вверх). Но так как сечения пластин оста­ются плоскими, то концы волокон не расположатся согласно кривой б_ш а займут одинаковое положение е„. Положение линии mm' выбирается из ус­ловий равенства суммы собственных напряжений сжатия и растяжения в пределах сечения /—/. Вертикальные отрезки между кривой е_а и линией mm' будут представлять собой полную деформацию, равную е + е^.

Упругая составляющая полных деформаций е_упр < а_Т/Е, поэтому если

отложить от линии mm' значение оУ£, то все деформации больше этой вели­чины следует отнести к пластическим (заштрихованы наклонно). Кроме того,

повышение температуры при сварке снижает предел текучести. Принято, что е = о при Т > 900 К, поэтому зона пластических деформаций расширяется и

ограничивается соответствующей изотермой (рис. 26.2, б), изменяя этим общий вид эпюры упругих деформаций (заштрихована вертикально на рис. 26.2, а).

Остаточные деформации и напряжения возникнут после того, как пла­стины остынут, т. е. при Т = 0. Величину остаточных деформаций можно определять из уравнения

^еупр ^{+ £}пл ^{= Е}н ~ ^Еа ^{_ Е}0 ■

Начальные деформации е₀, очевидно, представляют собой те пластиче­ские деформации, которые возникли при нагреве и уже были отмечены на­клонной штриховкой на эпюре деформаций (рис. 26.2, а). На эпюре остаточ­ных деформаций (рис. 26.2, в) они показаны кривой afcfa. Далее для графи­ческого определения остаточных деформаций разделяют деформации на Б_упр и ёпд аналогично тому, как это делалось при нагреве, и находят положение линии пп', при котором сумма растягивающих упругих и сжимающих на­пряжений будет равна нулю. Именно эти упругие деформация (показаны вертикальной штриховкой на рис. 26.2, в) являются остаточными. Остаточ­ные напряжения ст^ = е^Е.

В некоторых случаях необходимо знать величину остаточных пластиче­ских деформаций e„„. ост- Они представляют собой разницу между пластиче­скими деформациями при нагреве и остывании:

пл ост | пл turpi I пл. остыв| •

Зная значение остаточной пластической деформации, можно определить силу, вызывающую укорочение пластин после сварки, так называемую уса­дочную силу:

+»» ^р_у,= Je^ocT^d.», -к

где Ъ„ — ширина зоны пластических деформаций; 8 — толщина пластины.

У материалов, которые имеют структурные превращения с изменением объема кристаллической решетки, например в некоторых сталях распад ос­таточного аустенита в мартенсит, характер эпюры внутренних напряжений может значительно измениться. При нормальных и пониженных температу­рах аустенит превращается в мартенсит, объем решетки которого больше объема решетки аустенита. В результате этого в сварных швах появляются остаточные напряжения сжатия, а в прилежащей зоне — растяжения. Они суммируются с напряжениями от неравномерного нагрева и усадки металла.

Структурные превращения происходят в течение длительного времени, поэтому сварные изделия из таких сплавов могут изменять форму и размеры

через несколько часов, дней и даже месяцев после сварки. Их нельзя подвер­гать окончательной механической обработке непосредственно после сварки без термообработки.

Другими причинами деформирования изделий с течением времени по­сле сварки являются релаксации остаточных напряжений, вызванных свар­кой, а также ползучесть металла.

Весь комплекс мер, направленных на уменьшение или полное исключе­ние деформаций и напряжений, условно можно отнести к конструктивным и технологическим. К конструктивным мерам относятся те, которые принима­ются уже на стадии проектирования конструктором. Технологические меры преимущественно осуществляются технологом в процессе изготовления кон­струкции и ее узлов.

К конструктивным мероприятиям, направленным на уменьшение де­формаций и напряжений, относят:

1) выбор рационального метода сварки;

2) уменьшение катета сварного шва за счет совершенствования расчет­ных методов и применения материалов с повышенными механическими свойствами;

3) уменьшение в конструкциях числа сварных швов, в том числе за счет рациональных профилей;

4) сокращение числа или полное исключение различного рода концен­траторов напряжений. В этом смысле стыковое соединение предпочтитель­нее нахлесточного, углового и т. п. Следует обращать внимание и на обеспе­чение благоприятной формы шва с более плавным переходом от основного металла к шву.

К технологическим мерам, уменьшающим деформации и напряжения, относятся.

1. Предварительный и сопутствующий подогрев при сварке.

2. Термообработка (отпуск) после сварки.

3. Усиленный отвод теплоты от шва, что рекомендуется при сварке тон­костенных полотнищ, обшивок и т. п. Достигается это применением медных прокладок, охлаждаемых изнутри водой.

4. Уменьшение деформаций и остаточных напряжений путем пластиче­ского обжатия металла шва и прилежащей к нему зоны. Глубина деформиро­ванного слоя может быть различной в зависимости от усилий на деформи­рующем инструменте и толщины металла.

При пластическом деформировании в шве возникают сжимающие на­пряжения, которые, суммируясь с растягивающими напряжениями от сварки, существенно снижают остаточные напряжения. Аналогичный результат можно получить обработкой шва взрывом, ультразвуком, вибрацией.

С целью уменьшения перемещений применяют конструктивные и тех­нологические меры. К конструктивным следует отнести уже рассмотренные

ранее: рациональный выбор метода сварки, уменьшение катета шва; число швов; проектирование таких сварных элементов, в которых влияние отдель­ных сварных швов взаимно уравновешено; установка ребер жесткости для предупреждения потери устойчивости; применение двусторонней сварки вместо односторонней.

Достаточно широк арсенал технологических мер, направленных на пре­дотвращение и уменьшение перемещений. Наиболее часто применяемые из них следующие.

1. Сварка в жестких приспособлениях, препятствующих свободному развитию деформаций.

2. Увеличение жесткости конструкции в результате предварительной сборки ее элементов с помощью прихваток — коротких швов (длиной 5—25 мм), располагающихся друг от друга, в зависимости от толщины сваривае­мых деталей, на расстоянии 50—300 мм. Однако постановка прихваток име­ет ряд недостатков: прихватка может стать местом, где образуется непровар, пористость или трещина, особенно когда режим последующей сварки подоб­ран без учета наличия прихваток.

3. Рациональная последовательность наложения швов, а также сборки и сварки узлов в единую конструкцию.

4. Использование предварительного растяжения элементов конструкции и обратного прогиба. Примером применения последнего является выштам-повка кромок отверстий перед вваркой в них фланцев, заглушек и т. п.

Трещины при сварке. Склонность металлов к образованию трещин при сварке является одним из основных показателей их свариваемости. Она обусловливает технологическую прочность — способность материалов вы­держивать без разрушения различного рода воздействия в процессе их тех­нологической обработки. При сварке разрушения могут происходить в про­цессе кристаллизации (горячие трещины) и в процессе фазовых н структур­ных превращений в твердом состоянии (холодные и другие виды трещин). Сварка может сопровождаться образованием трещин различной протяжен­ности в сварном шве или прилегающей к нему зоне.

Образование горячих трещин происходит под воздействием факторов, которые могут быть выделены в две группы.

Первая группа включает в себя металлургические факторы, зависящие от предрасположенности того или иного сплава к горячим трещинам, что определяется характером диаграммы состояния свариваемых сплавов, свой­ствами кристаллизующихся фаз.

Вторая группа факторов зависит от конструктивно-технологических ус­ловий сварки. Их воздействие проявляется в виде напряжений и деформаций, действующих в период кристаллизации.

Механизм образования горячих трещин заключается в следующем. Рас­плавленный металл шва после удаления источника нагрева начинает охлаж-

даться. При температуре ликвидуса в шве появляются кристаллы, разделен­ные между собой жидкими прослойками. Пока жидкость составляет основ­ную часть объема, свойства возникающей двухфазной системы будут опре­деляться свойствами жидкости. Однако с увеличением числа кристаллов по­следние могут образовывать своеобразный каркас. В таком состоянии цир­куляция жидкости между кристаллами затруднена. Это приводит к сниже­нию деформационной способности системы и ее хрупкому разрушению, обусловленному наличием возросших к этому моменту напряжений.

Таким образом, верхняя температурная граница образования горячих трещин лежит ниже температуры ликвидуса, а нижняя — в районе темпера­туры солидуса (как выше, так и ниже его). Возникновение трещин ниже тем­пературы солидуса объясняется наличием в сплавах примесей, образующих эвтектические сплавы, хрупких межкристаллических прослоек, а также пе­ремещением физических несовершенств (дислокаций) и образованием новых границ зерен (полигонизация). Последнее является причиной возникновения полигонизационных трещин, например в сталях аустенитного класса. Темп -ратурный интервал, при котором сплав имеет низкую деформационную спо­собность и повышенную склонность к горячим трещинам, называют темпе­ратурным интервалом хрупкости. Естественно, чем он шире, тем большей склонностью к образованию горячих трещин обладает сплав.

Важен темп нарастания напряжений в интервале хрупкости. Если меж­кристаллическая прочность о_мк растет быстрее, чем внутренние напряжения Oi, то горячие трещины не возникают (рис. 26.3). Наоборот, при высоком

do темпе роста напряжений — (кривая о₂) их величина в точке пересечения с

&.Т

	Y0"-
	\ \
	\ \ у-°2
	Температурный	Т
	интервал хрупкости

кривой о_мк становится равной межкристаллической прочности и может пре­высить ее, что приводит к трещинам.

Для повышения технологической прочности в процессе кристаллизации можно рекомендовать любые меры тех­нологического (применение оптимальных сварочных материалов, режимов и усло­вий сварки) и конструктивного характе­ра, направленные на снижение величины деформаций и напряжений в процессе сварки или замедление их роста. Повли­ять на скорость роста напряжений мож­но в результате местного или общего

Рис. 26.3. Характер изменения подогрева изделия до сварки.

прочности и внутренних напряже- Уменьшение объема расплавленно-

ний в шве от температуры го металла при использовании методов

сварки с высокой концентрацией энергии (электронно-лучевой, лазерной, плазменной), импульсных методов сварки, сварки с магнитным перемешива­нием металла сварочной ванны, введением в нее дополнительной присадоч­ной проволоки или металла в виде гранул уменьшает склонность к образова­нию кристаллизационных трещин. Это связано в данном случае с изменени­ем типа кристаллизации: увеличение скорости сварки и снижение темпера­туры металла сварочной ванны способствует переходу от ячеистого типа кристаллизации к плоскому или дендритному, обеспечивающим повышение сопротивляемости образованию горячих трещин в два раза и более.

Повысить стойкость сплава к образованию горячих трещин можно уменьшением содержания в нем вредных примесей. Так, установлено, что стали, полученные двойным переплавом (дуговым, электрошлаковым, элек­тронно-лучевым, плазменным), свариваются лучше выплавленных обычным способом.

Холодные трещины при сварке в отличие от горячих возникают при более низкой или даже комнатной температуре. Процесс их образования имеет, как правило, замедленный характер, хотя подобные трещины могут возникнуть практически сразу же после сварки. Наличие своеобразного ин­кубационного периода при возникновении холодных трещин делает их особо опасными. Эти трещины могут образовываться и развиваться уже после раз­личных контрольных операций, например рентгеновского просвечивания. Причины образования такого рода трещин заключаются в действии ряда факто­ров: фазовых превращений, связанных с изменением объема кристаллической решетки (в сталях — мартенсишое превращение остаточного аустенита в шве и околошовной зоне); насыщения водородом; скопления неметаллических вклю­чений в элементах полосчатой микроструктуры стали; выделения карбонитрид-ньгх фаз по границам зерен при охлаждении после сварки и т. п.

Исследование холодных трещин показало, что они состоят из очага раз­рушения и участка развития. Очаг разрушения предположительно возникает из-за упругого разрыва атомных связей при достижении местными напряже­ниями теоретической прочности металла и соответствующего структурного состояния металла, характеризующегося избытком дислокаций, вызванных закалкой при охлаждении металла или холодной пластической деформацией. Под влиянием напряжений дислокации мигрируют к границам, скапливают­ся там, давая начало очагу разрушения.

Развитие микротрещины в макротрещину происходит вследствие пла­стической деформации в ее вершине при большем напряжении, чем в мо­мент зарождения очага разрушения. Поэтому в металле при определенных условиях микротрещины могут не развиваться и не оказывать отрицательно­го влияния на работоспособность сварного соединения.

Холодные трещины часто имеют вид отколов наплавленного металла от основного, но они могут возникать и в наплавленном, и основном металле.

Поверхность их блестящая, не окисленная, что является одним из внешних отличий от горячих трещин.

Предварительный подогрев, сопутствующий нагрев и последующий от­пуск для сталей, повышение чистоты шва по водороду в результате тщатель­ной очистки поверхности изделия под сварку, надежная защита металла при его выплавке от растворения в нем водорода, выбор оптимальных режимов, исключающих превращение аустенита в мартенсит, положительно влияют на уменьшение возможности образования трещин.

Рациональное проектирование, направленное на снижение уровня сва­рочных напряжений вследствие уменьшения жесткости узлов и конструкций в целом, недопущение неоправданных пересечений швов, концентраторов напряжений и т. п. позволяют избежать образования холодных трещин или облегчить борьбу с ними с помощью технологических приемов.

В связи с тем что свариваемость металлов в значительной степени опре­деляется их склонностью к образованию трещин, в настоящее время разра­ботан ряд методик, позволяющих на образцах оценить это свойство метал­лов. В основу испытаний положено создание тем или иным способом на об­разцах, имитирующих различные сварные соединения или узлы, высокона­пряженного состояния. Таким образом, появляется возможность сравнить поведение в одинаковых условиях образцов из различных материалов, вы­явить влияние технологии сварки на образование трещин.

Пористость при сварке. Трещины не являются единственно возмож­ными дефектами при сварке. В значительной степени свариваемость металла определяется его склонностью к образованию пористости, которая зависит от концентрации газа в сварочной ванне, растворимости его в твердом или жидком металле при температурах кристаллизации, скорости кристаллиза­ции металла, коэффициента диффузии газа в твердом и жидком металлах.

Газовыделение связано с химическими реакциями в расплавленном ме­талле. Кроме того, выделение газа из расплавленного металла может проис­ходить, когда растворимость его уменьшается по мере понижения темпера­туры металла.

Примером химических реакций может служить образование оксида уг­лерода СО в результате реакции [FeO] + [С] ^:= Fe + СОТ. Из-за нерас­творимости в железе СО в процессе реакции выделяется в виде пузырьков. Снижение растворимости газов по мере охлаждения сварочной ванны также является причиной образования пористости.

Для возникновения газового пузырька необходимо, чтобы давление газа в нем р_г было больше следующей суммы давлений:

Рт > Рт + УьА. + Уш^ш +2о7г,

где р_в„ —- внешнее давление газовой фазы (обычно равно 98 ГПа); у_м и у_ш — плотность жидкого металла и шлака; h_M и Л_ш — высота слоя металла и шлака

над зоной, где должен образовываться пузырек газа (при сварке в защитных газах, в вакууме у_ш и А_ш отсутствуют); ст — поверхностное натяжение на гра­нице металл — выделяющийся газ; г — радиус выделяющегося пузырька.

Влияние у_мЛ_м и у_шА_ш по сравнению с отношением 2о7г невелико, и их можно не учитывать.

На готовых поверхностях раздела фаз (фронт раздела между жидким и твердым металлом, поверхность раздела между шлаковым включением и жидкой фазой) ст -> 0, поэтому здесь вероятность зарождения пор больше. При сварке в камерах с инертной атмосферой выделение газовых пузырьков можно подавить в результате повышения давления газар_вн в камере.

Улучшение исходной чистоты металла и его защиты при сварке, тща­тельная зачистка поверхности деталей и проволоки перед сваркой, примене­ние сварочных материалов с соответствующим составом раскислителей, правильный выбор метода сварки и марки материала позволяют исключить образование пористости в шве.

26.2. Характеристика свариваемости металлов

и сплавов

Приведем наиболее характерные особенности свариваемости для целых групп однотипных с этой точки зрения сплавов.

Стали. Конструкционные стали по химическому составу подразделяют на углеродистые (обыкновенного качества и качественные) и легированные (низко-, средне- и высоколегированные).

Углеродистые стали. Кроме углерода в сталях содержатся при­меси: марганец, кремний, сера, фосфор, кислород, азот, водород. Если два первых относятся к полезным, то все остальные ухудшают свариваемость и их количество в сталях стремятся уменьшить. Именно меньшим содержани­ем примесей и более узким допуском по содержанию углерода в пределах конкретной марки стали качественная углеродистая сталь отличается от обыкновенной.

Низкоуглеродистые стали (СтЗ, стали 10, 15, 20 и др.) обладают хоро­шей свариваемостью. Исключением является сварка деталей больших тол­щин при пониженных температурах.

Увеличение содержания углерода в среднеуглеродистых сталях способ­ствует не только появлению закалочных структур, но и усилению ликвации серы в шве и обогащению ею межкристаллических прослоек, что может привести к образованию горячих трещин. Поэтому среднеуглеродистые ста­ли относятся к сталям с ограниченной свариваемостью.

Высокоуглеродистые стали имеют также ограниченную свариваемость. Они обладают еще большей чувствительностью к нагреву при сварке, чем среднеуглеродистые, и склонны как к закалке, так и к перегреву металла. При сварке изделий из высокоуглеродистых сталей необходимы подогрев и последующая термообработка. Из-за сложности сварки эти стали в сварных конструкциях применяют довольно редко.

При сварке углеродистых сталей уменьшения склонности к образова­нию горячих трещин добиваются снижением содержания углерода в наплав­ленном металле вследствие применения сварочной проволоки с меньшим содержанием углерода по сравнению с основным металлом. Одновременно шов легируют марганцем и кремнием, которые обеспечивают сохранение необходимых механических свойств металла шва. Кроме того, присутствие марганца связывает серу в соединение MnS, в котором сера находится в виде твердого раствора. Температура плавления такого раствора выше 1180°С, поэтому в шве снижается количество легкоплавких примесей, способствую­щих образованию горячих трещин. Для сварки углеродистых сталей можно рекомендовать ручную дуговую сварку покрытыми электродами, сварку са­мозащитной порошковой проволокой, под флюсом, сварку в атмосфере за­щитных газов (аргона, аргона с добавлением кислорода или углекислого га­за), электрошлаковую, газовую или контактную сварку.

Низколегированные стали (конструкционные и теплоустойчивые). К ним относятся стали, в которых содержание од­ного легирующего элемента не превышает 2%, а суммарное содержание всех легирующих элементов менее 2,5—5%.

Так как повышение содержания углерода в сталях ухудшает их свари­ваемость, то в низколегированных сталях, применяемых в сварных конст­рукциях, количество углерода ограничивают до 0,23 %. Этим достигается хорошая или удовлетворительная свариваемость сталей. Влияние легирую­щих элементов учитывается различным образом, в том числе определением эквивалентного содержания углерода С_э на основании эмпирических зависи­мостей, например:

„ „ Мп Сг V Mo Ni Си Р

с =с+ +—+—+ +—+—+—.

6 5 5 4 15 13 2

При С_э > 0,45 сварка сталей может сопровождаться образованием тре­щин и поэтому необходимо принимать меры, предупреждающие их возник­новение, в том числе снижение содержания углерода в шве (не более 0,15%).

Низколегированные стали по сравнению с углеродистыми более чувст­вительны к сварочному нагреву. Они склонны к образованию закалочных структур, перегреву, разупрочнению. При сварке этих сталей, особенно больших толщин, рекомендуется предварительный подогрев и последующая термическая обработка, в том числе высокотемпературный отпуск.

Низколегированные стали обладают меньшей склонностью к образова­нию пор из-за выделения в металле при сварке оксида углерода, так как в металле содержится достаточное количество раскислителей.

Для сварки низколегированных, особенно теплоустойчивых, сталей ре­комендуется сварка в защитных газах (сварка в углекислом газе, аргоне, ар­гоне с добавкой углекислого газа). Для повышения производительности сварки и улучшения свойств сварного соединения применяют порошковые проволоки. При единичном производстве, сварке коротких швов и т. п. ши­роко применяется ручная сварка покрытыми электродами.

Сварка под флюсом низколегированных теплоустойчивых сталей осу­ществляется проволокой с повышенным содержанием легирующих элемен­тов. Для сварки низколегированных сталей больших толщин применяется электрошлаковая сварка.

Технология контактной сварки низколегированных сталей примерно такая же, как и углеродистых. При образовании закалочных структур рекомендуется производить двух- или трехимпульсную точечную сварку. Принципиальных ог­раничений для сварки низколегированных сталей другими методами нет.

Среднелетированные стали. Содержание одного легирующе­го элемента в этих сталях не превышает 2—5%, а суммарное содержание всех элементов — 5—10%. Указанные стали относятся к перлитному (25ХГСА, ЗОХГСА, 35ХГСА и др.) или мартенситному классу (30ХГ2Н2СВМА, 30Х2НМФА и др.). В целом свариваемость среднелегированных сталей оце­нивается как ограниченная. При сварке приходится учитывать их повышен­ную чувствительность к сварочному нагреву, склонность к образованию го­рячих и холодных трещин. Вероятность образования трещин возрастает по мере повышения требований к прочности шва, особенно в том случае, если ставится задача достижения равнопрочности его с основным металлом.

Основными методами сварки среднелегированных сталей являются сварка в углекислом газе, аргоне (в том числе при сварке плавящимся элек­тродом с добавлением 5—10% кислорода или углекислого газа), сварка под флюсом, ручная сварка покрытыми электродами, электрошлаковая, элек­тронно-лучевая, плазменная.

Аргонодуговая сварка неплавящимся электродом часто производится с поперечным колебанием дуги или в импульсном режиме, что улучшает структуру шва и околошовной зоны.

Высоколегированные стали. К ним относятся стали с сум­марным содержанием легирующих элементов более 10%. Высоколегирован­ные стали могут быть ферритного, аустенитного и мартенситного классов, а также переходных классов: аустенитно-ферритного, аустенитно-мартенсит-ного и мартенситно-ферритного. По основному легирующему элементу при­нято делить указанные стали на высокохромистые, хромоникелевые, хромо-никелемарганцевые и др.

Высокохромистые стали в зависимости от содержания углерода и хрома могут быть мартенситного класса (14Х17Н2 и др.), ферритно-мартенситного (12X13,14Х12В2МФ и др.), ферритного (12X17,15Х25Т, 08Х17Т и др.).

Свариваемость сталей мартенситного класса ограничена главным обра­зом возможностью образования при сварке хрупких структур в шве и око­лошовной зоне, а также горячих и холодных трещин.

При сварке приходится учитывать более высокую теплопроводность этих сталей, что ускоряет теплоотвод от шва, способствует увеличению ско­рости охлаждения и, следовательно, может привести к образованию холод­ных трещин. Этому же способствует мартенситный распад при пониженных температурах, что исключает процесс самоотпуска, делает сварное соедине­ние малопластичным.

Существенным недостатком хромистых сталей мартенситного класса является их разупрочнение под влиянием сварочного нагрева. Восстановить первоначальные свойства указанных сталей можно только трудоемкой двой­ной термообработкой — нормализацией с отпуском. Для сварки сталей мар­тенситного класса рекомендуется дуговая, электронно-лучевая, лазерная и контактная сварка.

Склонность к образованию хрупких структур требует особых условий при контактной сварке сталей мартенситного класса. Она производится на машинах, обеспечивающих трехимпульсную подачу тока: подогрев—свар­ка—отпуск.

Стали с повышенным содержанием хрома при сварке могут окисляться и образовывать тугоплавкий оксид хрома, который в ряде случаев препятст­вует хорошему формированию обратной стороны шва. Этого можно избе­жать, защищая шов от окисления сваркой на подкладках, плотно прилегаю­щих к шву, с подачей снизу аргона или нанесением специальных флюсов на свариваемые кромки с обратной стороны шва.

Детали малой толщины из сталей ферритного или ферритно-мартен­ситного класса свариваются удовлетворительно, однако при сварке деталей больших толщин наблюдается значительное увеличение зерен и снижение механических свойств. В таких случаях для восстановления механических свойств металла следует применять предварительный подогрев и термиче­скую обработку после сварки.

Стремление ограничить увеличение зерен при сварочном нагреве при­водит к выбору таких методов сварки, которые обеспечивают минимальное тепловложение: дуговая, контактная, электронно-лучевая и т. п. Термическая обработка в основном направлена на повышение стойкости сварных соеди­нений к межкристаллитной коррозии.

Хромоникелевые стали — это коррозионностойкие жаропрочные стали с высоким содержанием хрома и никеля (стали 08Х18Н10, 12Х18Н10Т, 08Х18Н12, 20Х13Н18 и др.). При их сварке могут образовываться горячие

трещины, поэтому для улучшения свариваемости сталей типа Х18Н9 в шов вводят легирующие добавки для измельчения зерен или создания в шве двухфазной аустенитно-ферритной структуры. Другой особенностью сварки сталей аустенитного класса является ухудшение их антикоррозионных свойств под влиянием нагрева. Это происходит в интервале 450—850 °С, когда резко возрастает скорость диффузии углерода в межкристаллитные прослойки и начинается обеднение границ зерен свободным хромом в ре­зультате образования карбидов хрома.

Быстрее всего металл теряет стойкость против межкристаллитной кор­розии при нагреве в интервале 730—750 °С. При работе с такими сталями в агрессивной среде в околошовной зоне наблюдается межкристаллитная кор­розия и растрескивание металла под напряжением. Для предупреждения межкристаллитной коррозии целесообразно добавлять в сталь в небольших количествах титан или ниобий. Эти элементы химически более активны по отношению к углероду и образуют с ним карбиды, высвобождая тем самым хром (стали 12Х18Н10Т, 08Х18Н12Б). Рекомендуется также снижать коли­чество углерода в стали и сварочной проволоке. Так, высокой стойкостью против межкристаллитной коррозии обладает сталь 00X18Н10, однако эта и подобные ей стали имеют высокую стоимость.

Повысить стойкость против межкристаллитной коррозии можно вы­держкой после сварки изделия при 850—900 °С в течение 2—3 ч с после­дующим ускоренным охлаждением, что приводит к восстановлению содер­жания хрома в межкристаллитных прослойках, а также подбором соответст­вующих режимов сварки.

Свариваемость двухфазных хромоникелевых сталей переходных клас­сов по сравнению с однофазными выше, особенно сопротивляемость образо­ванию трещин и межкристаллитной коррозии. Мартенситно-стареющие кор-розионностойкие стали (08Х15Н5Д2Т и др.) могут иметь в зоне сварного соединения ослабленные участки в отношении величины ударной вязкости и стойкости против коррозии. Антикоррозионные свойства сварных соедине­ний восстанавливаются после полной термической обработки. Рекомендует­ся для этих же целей отпуск перед сваркой при 600—650 °С. Для предотвра­щения старения металла в зоне сварного соединения в процессе эксплуата­ции конструкции и последующего снижения его пластических свойств при­меняют термообработку после сварки (при 600—650 °С). Хромоникелевые стали сваривают практически всеми методами. Режимы стремятся подбирать так, чтобы сварка происходила при малых значениях погонной энергии. Ус­пешно сваривают хромоникелевые стали контактной сваркой.

Алюминиевые и магниевые сплавы. Алюминиевые и магниевые сплавы делятся на деформируемые и литейные, упрочняемые и не упрочняе­мые термической обработкой. К свариваемым алюминиевым сплавам отно­сят сплавы АД, АД1, АМц, АМгЗ, АМг5В, АМгб, АВ, АД31, АДЗЗ, АД35,

Д20, ВАД1, В92Ц и др. Среди магниевых сплавов, получивших наибольшее распространение в конструкциях, следует отметить сплавы MAI, МА2, МА2-1, МА8, МАИ, МАП и др.

Особенностью сплавов алюминия и магния является наличие на их по­верхности плотной пленки оксидов, которые имеют более высокую темпера­туру плавления и большую удельную плотность, чем основной металл. Так, температура плавления А1₂0₃ равна 2050 °С, a MgO — 2825 °С. Это приво­дит к тому, что при сварке пленки оксидов препятствуют сплавлению кро­мок. Для осуществления нормального процесса сварки необходимо удалять оксиды с поверхности кромок до (механическая зачистка, специальное трав­ление) и в процессе сварки.

Наиболее широко применяется сварка сплавов алюминия и магния в инертных газах (аргон, гелий) вольфрамовым или плавящимся электродом. Оксидная пленка в этом случае разрушается под воздействием дуги.

В жидком состоянии алюминий и магний активно растворяют водород. При охлаждении и затвердевании растворимость водорода резко снижается, вследствие чего могут возникнуть поры. Основным источником водорода является взаимодействие влаги, содержащейся в оксидной пленке, с метал­лом. Для алюминия, например, оно происходит следующим образом:

2А1 + ЗН₂0 = А1₂0₃ + 6Н

Основной мерой борьбы с водородом в алюминиевых и магниевых сплавах является удаление слоя оксидной пленки на поверхности металла и сварочной проволоки и запасов в ней влаги, снижение концентрации раство­ренного в металле водорода.

При сварке алюминиевых и магниевых сплавов возможно образование горячих трещин из-за вредного воздействия на пластичность и прочность металла эвтектики, влияние которой усугубляет процессы дендритной лик­вации. Для предупреждения возникновения горячих трещин применяют при­садочную проволоку с добавками элементов, улучшающих структуру шва (Zr, Ti, В), а также производят сварку с активным воздействием на кристал­лизацию металла, перемешивая его, например, в сварочной ванне внешним магнитным полем.

В результате воздействия сварочного нагрева происходит увеличение зерен в околошовной зоне у металлов, не упрочняемых термической обра­боткой, — снятие эффекта нагартовки. Более существенное влияние на ме­ханические свойства оказывает нагрев при сварке термообрабатываемых сплавов. Отрицательной особенностью таких сплавов является образование горячих трещин в зоне оплавления зерен. Ширина зоны оплавления сущест­венно зависит от метода сварки.

При проектировании сварных конструкций из алюминиевых и магние­вых сплавов необходимо учитывать также сложность их сварки на весу с

полным проплавлением; большой коэффициент линейного расширения, что вызывает существенные деформации; высокую тепло- и электропроводность, приводящую к необходимости увеличения мощности источника энергии для их сварки. Алюминиевые и магниевые сплавы сваривают прежде всего арго-нодуговой сваркой, в ряде случаев — электронно-лучевой сваркой, холодной сваркой, сваркой ультразвуком, взрывом и трением, особенно при соедине­нии деталей из этих сплавов с другими металлами.

Титановые сплавы. При сварке титановых сплавов существует вероят­ность образования холодных трещин из-за наличия в металле водорода, об­разующего хрупкие нестабильные гидриды, и появления метастабильной ю-фазы, вызывающей изменение объема металла и образование внутренних напряжений. Длительное воздействие внутренних напряжений может при­вести к возникновению трещин. Для устранения возможности образования трещин проводят комплекс мер, повышающих чистоту металла по водороду: травление проволоки и деталей, вакуумный отжиг, механическую зачистку, обезжиривание. Для снятия внутренних напряжений сварные узлы после сварки подвергают отжигу при 650—750 °С. Хрупкий, газонасыщенный на­ружный слой деталей и узлов, проходивших обработку, связанную с нагре­вом на воздухе, снимают с помощью пескоструйной обработки и травления.

Наиболее распространенными методами сварки титановых сплавов яв­ляются аргонодуговая, электронно-лучевая, плазменная, автоматическая под слоем специальных бескислородных флюсов, электрошлаковая с применени­ем этих же флюсов, контактная и термодиффузионная сварка в вакууме. Все эти методы обеспечивают хорошую защиту металла от взаимодействия с атмосферой. Повышенная активность титана по отношению к газам при тем­пературах > 500 °С требует защиты не только расплавленного металла, но и той части шва, которая нагрета до высокой температуры. При аргонодуговой сварке это достигается при использовании хвостовика у сопла горелки, в который подается аргон, и специальных подкладок, позволяющих защитить аргоном обратную сторону шва. Более радикальным способом защиты явля­ется сварка в камерах с контролируемой атмосферой, когда деталь защища­ется равномерно со всех сторон. При электрошлаковой и автоматической сварке под флюсом нагретые участки сварных соединений, не закрытые шлаком, защищают аргоном.

Химически активные тугоплавкие металлы (вольфрам, молибден, цирконий, тантал, ниобий и др.). Особенности сварки тугоплавких активных металлов обусловлены следующим.

1. Высокой температурой их плавления. Если железо имеет температуру плавления 1539 °С, титан — 1725 °С, ниобий — 2468 °С, то молибден пла­вится при 2610 °С, тантал — при 2996 °С, а вольфрам — при 3410 °С.

2. Высокой химической активностью по отношению к кислороду и азо­ту, которая существенно возрастает с увеличением температуры. В то же

время даже небольшое содержание примесей способно отрицательно влиять на пластичность тугоплавких металлов, вызывает их хладноломкость и склонность к горячим трещинам.

3. Чувствительностью тугоплавких металлов к нагреву, который снижа­ет механические свойства вследствие собирательной рекристаллизации.

Учитывая, что сварка тугоплавких химически активных металлов требу­ет хорошей защиты от воздействия атмосферы и применения концентриро­ванного источника нагрева, наиболее рациональными способами их сварки являются электронно-лучевая, термодиффузионная в вакууме, плазменная и дуговая в камерах с атмосферой аргона или гелия. В некоторых случаях, особенно для металлов малых толщин, применимы лазерная сварка, кон­тактная и сварка трением.

Разнородные металлы. Сварка разнородных металлов друг с другом, а также металлов с неметаллами (полупроводниками, керамикой) представляет собой сложный процесс, однако она имеет большое значение для производства.

При сварке плавлением важной характеристикой свариваемых разно­родных металлов является предел их взаимной растворимости. При опреде­ленных условиях могут образовываться хрупкие интерметаллические соеди­нения, в результате чего возникают трещины и резко ухудшается пластич­ность сварного соединения. Поэтому, например, практически невозможна сварка плавлением непосредственно титана со сталью. В подобных случаях сварку плавлением стремятся осуществить: соединяя металлы с преимущест­венным расплавлением одного из них и ограничением доли участия второго металла в наплавленном металле (сварка в твердо-жидком состоянии); при­меняя промежуточные металлы, свариваемость которых с каждым из соеди­няемых разнородных металлов хорошая; используя биметаллические вставки из свариваемых между собой материалов (такая вставка может быть получе­на при совместной прокатке, штамповке, прессовании, сварке трением или взрывом, иногда с последующей прокаткой или штамповкой; биметалличе­скую вставку обычными способами сваривают с каждым из металлов, плохо свариваемых непосредственно друг с другом, но удовлетворительно свари­ваемых с металлом вставки).

Дополнительные трудности возникают при большой разнице в теплофи-зических свойствах свариваемых материалов (температура плавления, теп­лопроводность, коэффициент линейного расширения), что приводит к нерав­номерному оплавлению одной из кромок соединяемых деталей, возникнове­нию значительных сварочных напряжений, а иногда к образованию трещин.

Эти трудности в меньшей степени сказываются при сварке разнородных металлов давлением (термодиффузионная сварка в вакууме, холодная сварка, сварка ультразвуком, трением и взрывом) или плавлением, если используют­ся сварочные источники с высокой концентрацией тепловой энергии — электронно-лучевая сварка в вакууме, сварка лазером. При сварке разнород-514

ных материалов, особенно обладающих низкой пластичностью, например керамики с металлом, часто применяют предварительный подогрев детали с последующим медленным ее охлаждением.

Контрольные вопросы

1. Что такое технологическая свариваемость, какие факторы определяют ее?

2. Перечислите основные критерии оценки свариваемости.

3. Какие изменения в составе и структуре свариваемого металла могут вызвать его нагрев, плавление или пластические деформации?

4. Назовите причины возникновения напряжений и деформаций при сварке.

5. Каковы причины возникновения трещин при сварке? Их разновидность.

6. Каковы условия образования пор в сварных швах?

7. Какие меры конструктивного и технологического характера следует рекомендо­вать для улучшения свариваемости металлов и сплавов и получения качествен­ных сварных изделий?

8. Каковы особенности сварки химически активных и разнородных материалов?