Испытание на свариваемость

ИСПЫТАНИЕ НА СВАРИВАЕМОСТЬ Для определения склонности стали к образованию трещин и изменения свойства стали в околошовной зоне применяют ряд методов. Ниже приведены наиболее широко используемые методы. Метод МВТУ им. Н. Э. Баумана. Валиковая проба определяет следующие свойства стали, проявляющиеся под влиянием термического воздействия при дуговой сварке: склонность к закалке и перегреву, пластичность стали после нагрева дугой, способность к улучшению микроструктуры и повышению пластичности после сварки. Для испытания заданной марки стали выбирают сталь одной плавки, что контролируют химическим анализом. При наличии нескольких плавок стали одной и той же марки испытания проводят на стали, содержащей больше углерода. Из испытуемой стали вырезают вдоль проката не менее девяти пластин толщиной 12-18 мм (рис. 1). В закрытом помещении при положительной температуре окружающей среды на каждую пластину по всей ее длине наплавляют один валик вручную или на автомате (открытой дугой или под флюсом). Наплавку вручную ведут без поперечных колебаний электрода. Режим характеризуется погонной энергией. Режимы наплавок приведены в табл. 1. После остывания торцы пластин шлифуют и протравливают 5%-ным раствором азотной кислоты для определения границы проплавления. Рис. 1. Пластина для испытания на свариваемость 1. Режимы наплавок при испытании на свариваемость Затем размечают и вырезают образцы так, чтобы предотвратить отпуск или перекристаллизацию металла. Применять газовую или дуговую резку недопустимо. Число образцов и виды испытаний приведены в табл. 2. 2. Число образцов и виды испытаний Рис. 2. Образец для испытания на статический изгиб (а) и ударную вязкость (б): 1 — заготовка; 2 — образец При микроисследовании устанавливают тип микроструктуры на границе сплавления и в зоне максимальной твердости на расстоянии 0,5-1,0 мм от границы проплавления, а также исходную микроструктуру металла. В зоне максимального перегрева измеряют средний размер зерен аустенита. Границы зерен принимают по ферритной сетке или по ориентации зерен мартенсита. Размеры зерна измеряют в тех случаях, когда можно установить их границы. Средний размер зерна аустенита (в мм) вычисляют по формуле Пер = (1/п, где d — диаметр поля, видимого под микроскопом, мм,; и — число зерен, расположенных по диаметру. Твердость измеряют вдоль границы проплавления на расстоянии 0,5 - 1 мм от нее, а также по толщине металла. Измерение производят в точках, расположенных на расстоянии 2 — 2,5 мм одна от другой. Затем образцы (рис. 2) испытывают на статический изгиб и ударную вязкость (по ГОСТ 9454 - 78). Результаты испытаний оформляют в виде графиков (рис. 3). Эти графики дают возможность выбирать режимы сварки, обеспечивающие заданные свойства. Метод НИИ. Для испытания листовой стали толщиной до 15 мм от края листов вдоль проката вырезают шесть заготовок размером 300 X 45 мм. Заготовки поочередно устанавливают в зажимы стыковой сварочной машины при расстоянии между зажимами 65 мм и включают ток такой силы, чтобы средняя часть заготовок на длине 50 мм нагревалась до 1320 — 1360°С в течение 30 с (не более). После охлаждения на воздухе из одной заготовки изготовляют образец для испытания на растяжение (рис. 4), а из другой — образец для испытания на изгиб. После нормализации по режимам, принятым для стали данной марки, из остальных заготовок изготовляют аналогичные образцы (два для испытания на растяжение и два для испытания на изгиб) и испытывают их. Сопоставляя результаты испытаний на растяжение и загиб, ориентировочно определяют характер изменения свойств стали в околошовных участках (при дуговой сварке). Для испытания стали толщиной более 15 мм вытачивают шесть заготовок диаметром 15 ± 0,1 мм и длиной 150+1 мм. Заготовки нагревают до 1320 - 1360°С в стыковой сварочной машине при расстоянии между зажимами 100 мм в течение 10 с (не более). Из средней части охлажденных на воздухе (при расстоянии между образцами не менее 80 мм) заготовок изготовляют образцы и испытывают их, как указано выше. На основании результатов испытания по методике НИИ стали делят на три класса: ХС- стали хорошей свариваемости; СС - средней свариваемости; ПС - плохой свариваемости. Класс ХС включает стали, после нагрева и охлаждения в незначительной степени ухудшающие пластические свойства (удлинение, угол загиба и ударную вязкость), но они не выходят за нижние пределы норм, предусмотренных ТУ или ГОСТами. Класс СС включает стали, пластические свойства которых выходят за нижние пределы норм, но восстанавливаются после термообработки до пределов минимальных требований ТУ или ГОСТов. Класс ПС - аналогичен классу СС, но включает стали, механические свойства которых термообработкой не восстанавливаются до пределов минимальных требований ТУ или ГОСТов. Недостаток методики НИИ заключается в том, что при испытаниях имитируется только тепловой режим сварки, все остальные условия протекания сварочного процесса не учитываются. Методика НИИ может быть рекомендована как предварительная. Рис. 5. Проба Института электросварки им. Е. О. Патова Проба института электросварки им. Е. О. Патова. Образец для испытания металла на технологическую свариваемость представляет собой пластину размером 200 х 400 мм (рис. 5), имеющую четыре отверстия с треугольным надрезом глубиной 2,5 мм (на всю толщину пластины). Пластину двумя поперечными швами приваривают к швеллеру № 20. На автомате наплавляют продольный валик. Готовый образец замораживают углекислотой, после чего подвергают действию удара под пятикилограммовым копром. Образование трещин зависит от со-отношения между напряжениями, возникающими на участке между каждой парой отверстий, и хрупкой прочностью металла. Известно, что поперечные напряжения при сварке значительно меньше продольных, а продольные напряжения, вызывающие поперечные трещины, имеют наибольшее значение у оси шва и уменьшаются по мере удаления от оси. Для оценки стойкости стали при пониженных температурах могут быть приняты два критерия, влияющие на возникновение трещин в образце: 1) расстояние между осью шва и вершиной угла надреза; при этом изменяется расстояние, а температура, при которой производят испытание, остается постоянной. Лучшей сталью признают ту, в которой трещины появляются при минимальном расстоянии между осью шва и вершиной угла надреза; 2) температура образца, при которой возникает трещина; в этом случае расстояние между осью шва и вершиной угла надреза остается при всех температурах неизменным. Лучшей сталью считают ту, в которой трещина появляется при наиболее низкой температуре. Целесообразнее применять второй критерий. Исследования изменений структуру и механических свойств металлов при сварке на машине ИМЕТ-4. Существующие методы оценки свариваемости, основанные на определении степени изменения свойств металла в зоне термического влияния, позволяют оценить конечный результат теплового воздействия сварки на структуру и свойства основного металла. В Институте металлургии им. А. Н. Байкова АН СССР разработан метод изучения изменений структуры и механических свойств основного металла в условиях термического цикла сварки и создана установка для этой цели. По методике исследования тонкие стержневые образцы, вырезанные из исследуемого металла, нагревают током, охлаждают в соответствии с заданным термическим циклом сварки и в различные моменты цикла подвергают быстрому разрыву. Рис. 6. Термический цикл сварки Нагрев образца регулируют изменением силы тока по заданной программе, а скорость охлаждения — опрыскиванием водой, обдувом газом или пропусканием через него тока небольшой силы. Изменения структуры и механических свойств металла в условиях термического цикла изучают раздельно. При изучении кинетики фазовых превращений, а также роста зерна образец размером 3 х 5 х 100 мм зажимают в губках нагревателя и подвергают нагреву по заданному циклу (рис. 6). В определенные моменты цикла (например t\, ?2, и т. д.) губки нагревателя автоматически разжимаются, образец падает в бачок с водой и быстро охлаждается. После шлифования и последующего специального травления образец подвергают металлографическому анализу. При этом оценивают фазовый состав и определяют размер зерна. Изменение температуры на центральном участке образца в процессе нагрева и охлаждения регистрируется термопарой и записью на ленте осциллографа; конечные изменения структуры и твердости металла исследуют обычными методами после нагрева и полного охлаждения образца но заданному термическому циклу. Для исследования изменений механических свойств образец раз-мером 3 X 5 X 150 мм с двусторонней выточкой радиусом 5 мм (Рис. 7) вставляют в захваты разрывной машины. Образец нагревают по заданному циклу (рис. 6) и в определенные моменты времени (fi, £2 и т. д.) подвергают разрыву с регистрацией на ленте осциллографа кривой изменений усилия и удлинения образца во времени. Совместная обработка этих кривых позволяет построить диаграмму усилие — абсолютное удлинение образца Р — (Д/). Такая методика дает возможность определять пределы прочности и текучести и относительное сужение и удлинение металла образца при быстром растяжении. Пределы прочности ст^ и текучести Oj определяют непосредственно по диаграмме Р — (А I), а относительное Рис. 7. Образец для исследования изменений механических свойств металла сужение подсчитывают по данным измерения размеров шейки в среднем сечении выточки образца до и после разрушения. Исследование изменений Св и образцов в условиях термического цикла показало, что для большинства марок стали характерен последовательный частичный распад аустенита в температурных интервалах перлито-ферритного и игольчатого трооститного превращения, в результате воздействия растягивающих напряжений, резко возрастающих по мере разрушений в околошовной зоне. Для выбора рациональных режимов сварки и уменьшения опасности распада необходимо знать характер, а также относительное изменение ф и Сто в указанных интервалах температуры в зависимости от параметров термического цикла в газах и скорости охлаждения металла околошовной зоны). Эти данные позволяют оценить склонность металла к закалке и перегреву и выбрать оптимальные режимы сварки исходя из условий наиболее благоприятных изменений СУ и 1|/ при охлаждении. Методика оценки свариваемости металлов по изменению механических свойств и структуры околошовной зоны в условиях термического цикла сварки, предложенная .Институтом металлургии им. А. Н. Байкова АН СССР, позволяет изучать не только конечные изменения структуры и механических свойств околошовной зоны при сварке,, но и кинетику процесса роста зерна и структурных превращений. Она может быть рекомендована для оценки свариваемости как существующих, так и новых марок металла на ранних этапах их разработки. Исследование свариваемости металла при сварке по методике Института металлургии им. А. Н. Байкова АН СССР осуществляют на специальных машинах ИМЕТ-4. Методика ЛТП 1-4 для определения склонности металла шва к образованию горячих и холодных трещин при сварке. В основу методики испытаний положена гипотеза Н. Н. Прохорова о межкристаллической прочности сплавов при сварке. Согласно этой гипотезе горячие трещины образуются в темпе-ратурном интервале хрупкости (ТИХ) свариваемого сплава. При этом вероятность их образования определяется соотношением ТИХ, значением производной от деформации по температуре (т. е. скорости нарастания деформаций по мере снижения температуры) й пластич-ностью сплава в температурном интервале хрупкости. Так как при сварке металлов поле напряжений является взаимно уравновешенным, задача прочности здесь решается в деформациях, т. е. путем сопоставления пластичности металла при различных температурах с деформациями, возникающими в околошовной зоне при сварке. Следовательно, для определения пластических свойств металла в ТИХ в процессе сварки необходимо иметь возможность сваривать металл при различных упруг ©пластических деформациях. Способность металла претерпевать большую или меньшую упругопластическую деформацию в процессе сварки без разрушения является показателем его прочности. Для изменения упругопластической деформации при испытании данного металла предложена следующая методика исследования. Ширина испытуемого образца незначительна. При наложении сварного шва это обусловливает его минимальную внутреннюю упругопластическую деформацию. Однако образец иотытывают не в свободном состоянии, а в условиях приложения к нему внешних сил. Внешние силы деформируют образец в процессе сварки с постоянной скоростью, причем скорость деформации в отдельных случаях может быть изменена путем изменения скорости перемещения головок машины, растягивающих образец. Упругопластическая деформация в наплавленном металле складывается из части, создаваемой жесткостью образца (остается неизменной, так как применяют образцы постоянного сечения) и части, создаваемой внешними силами (переменная, так как деформацию можно производить с различной скоростью). Следовательно, сваривая разные образцы при различных значениях деформации внешними силами, невозможно изменить суммарное значение упругопластической деформации металла шва. Первая составляющая внутренней деформации, обусловливаемая жесткостью образца, зависит от теплофизических свойств испытуемого металла, т. е. от температурного коэффициента линейного расширения и температуропроводности. Значение этих параметров учитывают в соответствии с их влиянием на внутреннюю деформацию при сварке. Вторая составляющая деформации, обусловливаемая перемещением головок машины, в этой методике отражает влияние различных технологических факторов, определяющих деформацию при сварке. Важнейшими из этих факторов являются окружающая температура, источник тепла, погонная энергия, жесткость конструкции, последовательность сварки и т. п. Таким образом, скорость деформации в температурном интервале хрупкости является обобщенным фактором, эквивалентным влиянию различных технологических и конструктивных факторов. Испытания ведут в следующем порядке. Из стали одной марки изготовляют несколько образцов. Первый образец сваривают при некотором среднем значении скорости деформации, создаваемой машиной, после чего его исследуют и устанавливают наличие или отсутствие трещин. При отсутствии трещин скорость увеличивают; при наличии трещин следующий образец испытывают при меньшей скорости. Таким образом, устанавливают граничное значение скорости, которая является для данной стали критической. Превышена этой скорости приводит к образованию трещин; при более низких его значениях трещины не появляются. Машина ЛТП 1-4 предназначена для определения количественного показателя склонности металла сварного шва к образованию горячих трещин. На этой машине можно испытывать стыковые и тавровые образцы, разрезные и неразрезные с наплавкой вдоль направления деформации и перпендикулярно к нему. Сопротивляемость стали образованию холодных трещин при сварке определяют с помощью испытательных машин и установок. Машина ЛТП 2-5 предназначена для испытания тонколистовых плоских, круглых или восьмигранных образцов со стыковым швом, жестко закрепленных по контуру, постоянной длительно действующей распределенной нагрузкой. Испытания позволяют определить сопротивляемость различных зон сварного соединения образованию про-дольных и поперечных холодных трещин. Машина ЛТП 2-3 предназначена для испытаний тавровых стальных образцов толщиной 6-20 мм с угловым сварным швом постоянной длительно действующей нагрузкой по схеме консольного изгиба. Испытания позволяют определять сопротивляемость различных зон сварного соединения образованию продольных холодных трещин. Машина ЛТП 2-3 имеет пять одинаковых секций для одновременного испытания серии образцов при различных нагрузках. Она изготовлена в МВТУ им. Н. Э. Баумана и ЦНИИТМАШе, и в течение ряда лет ее используют для проведения испытаний. <a href='http://teh-11.ru/publ/spravochnik_svarshhika/svarivaemost_metallov/ispytanie_metalla_na_svarivaemost/3-1-0-3'>© Teh-11. ru</a>