Природа образования горячих трещин

    

Рисунок 3 - Стойкость против образования горячих трещин металла, наплавленного некоторыми электродами.

Применились электроды диаметром 3 мм, наплавка заготовки для рабочей части и сварка с пластинами производилась на токе 85 А. Проплавление шейки образцов на испытательной машине (вольфрамовым электродом в аргоне) велось на токе 190 A при скорости сварки 0,45 см/сек.

Влияние основного металла на технологическую прочность металла шва. О влиянии основного металла на величину критической скорости деформации можно судить по результатам опыта, в котором перечисленные выше марки электродов были испытаны по методу ИМЕТ на составных образцах, изготовленных из жаропрочных сплавов различного состава.

Рисунок 4 - Влияние основного металла на технологическую прочность металла шва.

Результаты опытов (рисунок 4) показывают, что состав сплава может оказать существенное влияние на стойкость металла шва против образования трещин. В то же время при сварке любого материала все электроды по уровню технологической прочности располагаются в одном и том же порядке, в том самом, в каком они располагаются при испытании наплавленного металла (сплошных образцов).

Независимо от марки электрода при сварке литых сплавов по сравнению с деформируемыми металл шва менее стоек против образования трещин аналогично тому, как при одном и том же номинальном составе литые сплавы имеют худшие механические свойства, чем деформируемые.

Сравнение сплава ЭП199 в литом и деформированном состоянии (близкого состава) позволяет думать, что различия в стойкости против трещин металла шва в этих случаях в значительной степени связаны со структурой основного металла. Возможно также, что вследствие несовершенства технологии выплавки литые жаропрочные сплавы заметно уступают деформируемым по степени загрязненности легкоплавкими примесями, газами, неметаллическими включениями.

Более крупнозернистое строение литых сплавов по сравнению с горячекатаными может привести к образованию крупнозернистой структуры шва, к увеличению микроскопической химической неоднородности металла шва, что должно сказаться на его технологической прочности.

Неблагоприятное влияние на технологическую прочность металла шва оказывает также повышенное содержание титана, алюминия и бора. Об этом свидетельствует значительно большая стойкость против образования горячих трещин сплава ХН78Т (0,15 - 0,3% Ti; 0,5% А1) в сравнении со сплавом ХН77ТЮР (2,3 - 2,7% Ti; 0,55 - 0,95% А1 и 0,01 % В).

Таблица 1 – Влияние термической обработки основного металла на технологическую прочность металла шва.

Сплав	Состояние основного металла перед сваркой	Vкр, мм/мин	Сплав	Состояние основного металла перед сваркой	Vкр, мм/мин
ХН77ТЮР	После прокатки	8,6	ВЖЛ-8	После литья	5,0
	После закалки от 1080°С, 8 ч	8,4		После закалки от 1050°С, 8 ч	5,0
	То же, и старения 750°С, 16 ч	7,5		То же, и закалки 1080°С, 8 ч	4,1

 

Нужно отметить также влияние предшествующей сварке термической обработки основного металла. Влияние термической обработки основного металла перед сваркой на стойкость против образовании трещин проверилось на составных образцах из сплавов XН77ТЮР и ВЖЛ-8, сваренных электродами ИМЕТ-411.

Закалка на твердый раствор практически не изменяет стойкость металла шва против образования трещин по сравнению с металлом, не подвергавшимся термической обработке (таблица 1). Закалка и дисперсионное твердение несколько снижают стойкость металла шва против горячих трещин, что по-видимому, связано с возникающими при дисперсионном твердении внутренними напряжениями.

Металлургический способ предусматривает регулирование состава металла шва, а в некоторой части и состава зоны сплавления путем целенаправленного выбора состава сварочных проволок, покрытий электродов, флюсов и управления долей участия основного металла в металле шва. При этом ориентируются на экспериментальные данные о влиянии химических элементов и примесей на сопротивляемость горячих трещин и учитывают их коэффициенты окисления и перехода в соответствии с теорией металлургических процессов при сварке. На рисунке 5 приведена схема, иллюстрирующая относительное влияние химических элементов и примесей на αм.кр для швов углеродистых и низколегированных сталей.

Эффективным средством повышения сопротивляемости образованию горячих трещин является снижение содержания в стальных сварных швах углерода и вредных примесей (серы, фосфора). Полезно снижение содержания никеля и меди, расширяющих ТИХ, а также дополнительное легирование марганцем, редкоземельными металлами (РЗМ) - цирконием, цезием, иттрием, способствующее связыванию серы и фосфора в тугоплавкие соединения. Рекомендуются следующие отношения содержания марганца и РЗМ к содержанию серы: Mn/S ≥ 40; РЗМ/S ≥ 5. Введение РЗМ способствует также измельчению кристаллитов. Введение вольфрама, молибдена, ванадия и хрома повышает вероятность образования дендритной структуры шва.

При разработке сварочных материалов используют комплексное легирование. В этом случае совместное влияние элементов может отличаться от схемы, приведенной на рисунке 5. При назначении содержания отдельных элементов учитывают также их влияние на механические и другие свойства металла шва. Окончательный состав уточняют экспериментальным путем.

Рисунок 5 - Иллюстрация относительного влияния примесей и легирующих элементов на сопротивляемость образованию горячих трещин сварных швов модельного низкоуглеродистого сплава:

ЛЭ - легирующие элементы; РЗМ - редкоземельные металлы; ∆αм.кр - приращение машинного критического темпа деформации (числовые значения - ориентировочные).

Высоколегированные аустенитные стали характеризуются повышенной склонностью к образованию горячих трещин по сравнению с низколегированными сталями. Это в большой степени обусловлено образованием крупнокристаллитной первичной структуры в сварных швах. При этом в многослойных швах часто имеет место явление «транскристаллитной» кристаллизации, которая заключается в прорастании наиболее крупных кристаллитов предыдущих слоев в последующие и дальнейшее их укрупнение. К тому же многокомпонентное легирование приводит к образованию легкоплавких эвтектических составляющих, увеличивающих ТИХ.

Металлургические способы применительно к аустенитным сталям сводятся к ограничению вредных примесей (серы и фосфора) и введению модификаторов (редкоземельных, тугоплавких и поверхностно-активных элементов), способствующих измельчению кристаллитов. Эффективно действуют элементы, приводящие к образованию в шве небольших количеств ферритной фазы (от 2 до 6 % δ-феррита). В этом случае имеет место двухфазная кристаллизация, при которой процесс начинается с образования δ-феррита и последующим образованием аустенитной γ-фазы. В результате совместной кристаллизации образуется мелкокристал- литная структура дендритного типа. Одновременно 6-феррит уменьшает концентрацию вредных примесей серы, фосфора и др. в жидких межкристаллитных прослойках в результате большей их растворимости в δ-феррите.

Количество δ-феррита в сварных швах зависит от соотношения Сrэкв и Niэкв, объединяющих элементы соответственно ферритизаторы и аустенитизаторы, и от скорости охлаждения в температурном интервале кристаллизации. Эта зависимость приближенно описывается диаграммой Шеффлера для сварных швов, выполненных ручной дуговой сваркой (рисунок 6).

Рисунок 6 - Структурная диаграмма Шеффлера для определения фазового состава аустенитных швов при ручной дуговой сварке.

В соответствии с диаграммой количество δ -феррита можно рассчитать по формуле:

δ-феррит = arctg(((Crэкв – 4,53)/(Niэкв + 3,1))*360/2π – 41,8)/(71,13 – 41,8))*100%.

Положительное влияние δ-феррита на сопротивляемость образованию горячих трещин сварных швов, выполненных ручной дуговой сваркой стали 09Х18Н10Т, по результатам машинных испытаний показано на рисунке 7.

 

 

 

       

       vкр, мм/мин

 δ-феррит, %

Рисунок 7 - Влияние δ-феррита в аустенитных швах стали 0,9Х18Н10Т на повышение сравнительного показателя сопротивляемости образованию горячих трещин vкр.

Технологические способы предусматривают рациональный выбор способа и параметров режима сварки и применение ряда технологических мероприятий.

В основном они направлены на изменение факторов, повышающих минимальную пластичность в ТИХ: схемы кристаллизации, типа первичной структуры и других зависящих от них параметров. Повышенную сопротивляемость образованию горячих трещин обеспечивают способы и режимы сварки, обусловливающие объемную схему кристаллизации, срастание кристаллитов боковыми гранями под малыми углами и мелкокристаллитную структуру:

- ручная дуговая сварка электродами с покрытием, аргонол> - говая неплавящимся электродом (небольшая глубина проплав гения, высокий коэффициент формы шва, выпуклый мениск поверхности шва);

- сварка на умеренных скоростях, ниже критических, исключающих срастание кристаллитов своими вершинами пол большими углами (критические скорости определяют испытаниями на технологических пробах с канавками);

- сварка соединений с разделкой кромок и переход or однопроходной сварки к многослойной.

Следует отметить, что предлагаемые технологические способы иногда противоречат задачам повышения производительности сварки, например, при применении автоматической дуговой сварки под флюсом на форсированных режимах (однопроходная на больших токах и скоростях сварки). В этих случаях нередко применяют различные способы внешнего воздействия на кристаллизующийся металл шва - электромагнитное и ультразвуковое перемешивание, механические колебания ванны в процессе кристаллизации и др. Для создания условий, способствующих переходу от плоской схемы кристаллизации к объемной, иногда прибегают к введению в сварочную ванну дополнительного холодного металла в виде проволоки или металлической крупки того же состава, что и свариваемый металл. Все эти способы измельчают кристаллы, изменяют зону концентрационного переохлаждения на фронте кристаллизации и в некоторых случаях приводят к равновесной кристаллизации в центре шва.

Конструктивные способы направлены на снижение действительных темпов деформации в ТИХ при сварке деталей и конструкций и предусматривают правильное конструирование сварных узлов и грамотно назначенный порядок наложения швов. Все эти мероприятия регулируют величину деформации в ТИХ и вследствие этого влияют на стойкость к образованию горячих трещин. Хорошо известны широко применяемые на практике способы уменьшения этих деформаций: применение технологических планок, привариваемых в начале и конце шва; жесткое закрепление изделия во время сварки с целью уменьшения его коробления; выведение кратера на технологические планки; сопутствующий подогрев периферийных зон конструкции, параллельных сварному шву; многослойная сварка и другие приемы.

Следует подчеркнуть, что все указанные способы находятся в тесной взаимосвязи и оказывают комплексное влияние как на формирование структуры металла шва, ее макро- и микронеоднородность, так и на развитие термодеформационных процессов при сварке.

 

 

 

 

 

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ:

1) Контроль качества сварки. Под ред. В.Н. Волченко. Учебное пособие для машиностроительных вузов. М., «Машиностроение», 1975.

2) Дефекты сварных швов / Деев Г.Ф. , Пацкевич И.Р. – Киев : Наук. думка, 1984. – 208 с.

3) Теория сварочных процессов: Учебник для вузов / Т338 А.В. Коновалов, А.С. Куркин, Э.Л. Макаров, В.М. Неровный, Б.Ф. Якушин; Под ред. В.М. Неровного. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. – 752 с.: ил.

4) Ерохин А. А., Сорокин Л. И. Влияние марки электродов и основного металла на свойства швов на жаропрочных никелевых сплавах. «Автоматическая сварка», 1968, № 7.

5) Шоршоров М. X., Ерохин А. А., Чернышова Т. А. и др. Горячие трещины при сварке жаропрочных сплавов. М., «Машиностроение», 1973, 224 с.