книги / Сварка при низких температурах

тельными опытами установлено, что для понижения хладноломко­ сти тавровых образцов из низколегированных сталей необходимо, чтобы поверхность шва имела плавный переход к основному ме­ таллу. Установлено, что результаты испытаний тавровых образцов лучше отражают работу сварного соединения, чем стандартные образцы.

Совместное влияние остроты надреза и температуры испытания. Исследования для выявления совместного влияния температуры испытания и остроты надреза образца на склонность стали к хруп­ кому разрушению производились [24] на образцах размером 10X10X15 мм с надрезами глубиной 2 мм и радиусами за­ кругления 2; 1; 0,5; 0,1 и 0,01 мм. Острые надрезы имитиро­ вали пороки сварного соединения (непровары и трещины). Удар­

ная вязкость	определялась	при температурах о т +100 д о —100° С
с интервалом	в 10° С. Из	диаграммы «ударная вязкость —

температура испытания» находили критическую температуру хруп­ кости, при которой ударная вязкость была менее 2 кГм1см2. По­ лученные значения ударной вязкости и переход металла в хруп­ кое состояние контролировали путем измерения деформационной характеристики поперечного сечения излома образца. Исследова­ лось семь марок сталей: МСт. 3, МСт. 5, НЛ2,' 20кп, 15ХФ-, 15ГС

иМ. Результаты исследований показали, что ударные испытания

сиспользованием образцов Менаже со стандартными надрезами не дают полного представления о поведении металла и в некото­ рых случаях могут привести к необоснованным заключениям. Бо­ лее подробные данные могут быть получены при серийных испы­ таниях образцов с надрезом различной остроты и построения

тройной диаграммы «ударная вязкость — температура испыта­ ния-радиус надреза». При исследовании сварных соединений следует применять, кроме стандартного ударного образца, также образцы с острым надрезом, например, с треугольным надрезом, имеющим радиус закругления 0,1 мм.

Проба ЦНИИ МПС. Разрабатывая методику определения ударной вязкости и хладноломкости швов, выполненных ручной и полуавтоматической сваркой, исследователи [76] опытами устано­ вили, что значения ударной вязкости и особенно порога хладно­ ломкости сварного шва существенно меняются в зависимости от того, расположен ли надрез в термически необработанном слое шва или >в предыдущем — термически обработанном. Они уста­ новили, что ударные испытания следует производить на образ­ цах, которые имеют надрез в термически необработанном слое, так как только в этом слое определяется хладноломкость свар­ ного шва.

Проба с хрупкой наплавкой. В США и Англии в 1956 г. опреде­ лялась прочность малоуглеродистой конструкционной стали при низких температурах по следующей методике. На узкие кромки стандартного образца для испытания на разрыв наплавляли свар­ ные валики чугунными электродами, непрерывно охлаждая образ-

6‘3ак. 737

81

цы водой. Ввиду большой скорости охлаждения в наплавленном

.металле появлялись трещины, которые не распространялись в ос­ новной металл. Затем образцы подвергали растяжению при тем­ пературах от +20 до —80° С. Для сравнения испытывали образцы из основного металла. Было замечено, что наличие в образцах высоких концентраторов напряжений в виде трещин заметно сни­ жает предел текучести стали с понижением температуры испыта­ ния. При испытании же образцов из основного металла эта харак­ теристика с понижением температуры испытания непрерывно воз­ растает.

Верхние критические температуры, при которых происходит переход металла из вязкого состояния в хрупкое для образцов Шарли (с V-образным надрезом) и разрывных образцов близки друг к другу. Такая проба рекомендуется для определения номи­ нальной прочности стали, которую следует принимать при проекти­ ровании сварных конструкций. Так как наличие дефектов в свар­ ных конструкциях почти неизбежно, то эта проба отражает дейст­ вительные условия хрупкого разрушения сварных конструкций.

Испытания по Ван дер Вину. Образцы (фиг. 33), имеют тол­ щину исходного листа и надрез, выполненный прессованием. Их испытывают на статический изгиб на разрывной машине. Крите­ рием оценки результатов испытания является температура, кото­ рая соответствует получению волокнистой поверхности излома на глубине 32 мм под надрезом. Характер излома определяют визу­ альным путем.

Взрывные испытания с образованием в образце трещины. При этом испытании в центре поверхности квадратного листа наплав­ ляется хрупкий валик. Затем образец укладывают на матрицу с круглым отверстием валиком вниз (фиг. 34). Образец и матрицу охлаждают до нужной температуры, после чего над образцом на расстоянии 610 мм производят взрыв. Взрывная волна вдавливает образец в матрицу, в результате чего в наплавке возникает тре­ щина, которая переходит в основной металл. В зависимости от температуры листа трещина либо останавливается у края отпечат­ ка отверстия на образце, достигнув границы пластически деформи­ рованного металла, либо продолжает распространяться, проходя через менее напряженный металл над поверхностью матрицы. Пе­ реходная температура при этом виде испытания определяется как среднее значение .пределов, в которых обнаруживается изменение вида разрушения.

Испытания падающим грузом (по Пеллини). На образец из ис­ пытуемой стали (фиг. 35) наплавляют хрупкий валик. На этом валике при помощи шлифовального круга делают поперечный надрез. Образец охлаждается до требуемой температуры и под­ вергается испытанию на ударный изгиб. При изгибе наплавленный валик, находящийся на нижней стороне образца, растягивается. В тот момент, когда металл на поверхности образца достигает пре­ дела текучести, в хрупком наплавленном металле образуется в

82

Фиг. 33. Образец для испытания на статичес­ кий изгиб (по Ban дер Вину):

t — толщина листа; п —глубина волокнистости п мм (надрез подвергнут прессованию с возможно меньшим радиусом закругления).

	м -------- * 0 7 — Н
	Направление
	прокатки
	Фиг. 34. Схема взрывного испыта­
	ния:			Фиг. 35. Схема испытания падающим
	1 — взрывной заряд;	2 — образец;
				грузом	(по Пеллини):
	3 — матрица; 4 — образец,		деформи­
	рованный взрывом.			/ —боек:	2 —наковальня.
	Фиг. 36. Испытания	по	Тип-
	перу на растяжение с надре­
	зом:
	УВИ — участки волокнистого из­
	лома; УЗИ — участок	зернистого
	излома.
			ганица проплавления о-		*5*аегз

т

m i m

■

а)

I)

Фиг. 37. Образцы Шнадта с надрезом (а) и без надреза (б).

>*

83

месте надреза трещина. Угол изгиба образца ограничен 5°. При температурах выше критических эта величина достигается без раз­ рушения основного металла. По достижении критической темпе­ ратуры излом, начавшийся в наплавке, распространяется в основ­ ной металл до полного разрушения образца практически без пла­ стической деформации. Наивысшую температуру, при которой наблюдается полное разрушение, называют переходной при испы­ тании падающим грузом. Получение хрупкого валика обеспечива­ ется применением электродов, дающих мартенситную структуру наплавки. Разрушение ударом производится на маятниковом коп­ ре мощностью 200 кгм.

Испытание по Типперу. Образцы с боковыми надрезами (фиг. 36) подвергают статическому растяжению, предварительно юхладив их до требуемой температуры. Мерилом оценки качества

.металла служит переходная температура, при которой половина яоверхности излома имеет волокнистое строение.

Проба Шнадта. Для оценки склонности стали к хрупкому раз­ рушению в условиях многоосного напряженного состояния приме­ няют пробу Шнадта, заключающуюся в испытаниях на ударный изгиб образцов (фиг. 37) с надрезом различной остроты. Пробу вырезают из основного металла в состоянии поставки и из зоны термического влияния после наплавки валика. Образцы Шнадта более сложны в изготовлении, чем образцы Менаже. Проба Шнад­ та, по данным М. К. Шоршорова и В. Д. Кодолова [196], не имеет преимуществ по сравнению с испытанием образцов Менаже.

Комплексное определение вязкости сварных соединений. Хатч и Хартбауэр [178] в лаборатории арсенала в Ватертауне (США) в течение нескольких лет применяют комплексное определение вяз­ кости сварных соединений, заключающееся в ударном разрушении надрезанного образца с наплавкой. Образец имеет приблизитель­ но равные площади зон проплавления и зон термического влияния в поперечном сечении образца по оси надреза. Испытания удобны тем, что на образцах одной и той же серии, кроме ударной вязко­ сти сварного соединения можно (путем измерения остаточных де­ формаций после разрушения) получить данные о пластичности металла наплавки и зоны термического влияния. В лаборатории исследовали высокопрочную сталь, легированную хромом, никелем и малыми добавками вольфрама, молибдена и меди; для сварки использовали ферритные низководородные электроды, дающие наплавку, легированную хромом, никелем и молибденом. Образцы для раздельного испытания изготовляли из листа с V-образной разделкой на половину толщины листа. Разделку заплавляли за шесть проходов; ударные образцы изготовляли из верхней и ниж­ ней половин листа. Каждый образец имел в сечении только металл зоны проплавления или термического влияния. Комплексные ис­ пытания производили на образцах (более широких, чем стандарт- ' ные), вырезанных симметрично относительно вершины разделки,

84

атакже на образцах стандартной ширины, вырезанных из пластин

счашеобразной разделкой, заплавлениой в два прохода. Критиче­ ская температура хрупкости составляла: для металла зоны терми­ ческого влияния (комплексные образцы стандартной и удвоенной

ширины) —110° С, для		металла зоны проплавления	(стандартные
комплексные	образцы)	—40, —50° С, для металла	зоны	про­
плавления	(комплексные образцы удвоенной ширины)			—20,
-10° С.

Худшие результаты испытаний для металла зоны проплавления образцов удвоенной ширины, исследователи объясняют влиянием многослойности сварки. Ими сделан вывод, что раздельное и ком­ плексное испытания дают близкие результаты. Вместе с тем они отмечают большую надежность комплексного метода испытания образцов, его универсальность и удобство, позволяющие рекомен­ довать его для широкого применения.

Определение упруго-пластической работы разрушения.

Исследователями предложено определять хрупкость стали при статических испытаниях на изгиб надрезанных образцов. В этом случае образец подвергается испытанию на изгиб до разрушения с записью диаграммы, по виду которой легко можно судить о кри­ тической температуре хрупкости (например при изгибе хрупкой стали возникновение трещины .приводит к быстрому разрушению образца, а следовательно и к обрыву диаграммы). Эти испытания можно производить как при комнатных, так и при отрицательных температурах.

Испытания сосудов или моделей. Шейл и Фратчер в США [192] проводили испытания на разрушение сварных труб из сталей с содержанием 0,27—0,32% С и 0,88—1,06% Мп при температурах до —45° С на специальном стенде с охлаждением стенок трубы до требуемой температуры путем наполнения ее холодными раствора­ ми и приложением внутреннего давления вплоть до разрушения.

Иногда по аналогии с указанным методом хладноломкость ста­ лей, обычно никелевых, испытывают следующим образом. Из ис­ пытуемой стали изготовляют несколько маленьких сосудов, кото­ рые затем наполняют жидким азотом или жидким кислородом. Затем сосуды подвергают испытанию путем бросания на них тя­ жести с определенной высоты.

Такие испытания проводят за рубежом (например в США испы­ тывали сосуда изготовленные из стали с 8,5 Ni), а также в СССР

на ряде машиностроительных заводов испытывались сосуды, изго­

товленные из стали марки 12НЗ. Для	приближения	испытаний
к реальным условиям работы сварных	соединений	в последнее

время начинают все чаще прибегать к испытаниям крупных свар­ ных узлов и образцов длиной до 1 м, требующих иногда устрой­ ства больших ванн с охлаждающими жидкостями. Такие испыта­ ния проводились многими организациями в Советском Союзе.

85

ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ МЕЖДУНАРОДНОГО ИНСТИТУТА СВАРКИ В ОБЛАСТИ ИССЛЕДОВАНИИ ХРУПКОСТИ

Сравнением различных методов испытаний на хрупкое разру­ шение занимается IX Комиссия Международного института сварки. Например, в подкомиссии А была проведена работа по определе­ нию хрупкого разрушения различными методами углеродистых и низколегированных сталей, полуспокойных и спокойных. Сравнение испытаний на удар по Шарли и на изгиб по Ван дер Вину показа­ ло, что температура перехода в хрупкое состояние .^условно были приняты — ударная вязкость 2,1 кГм/см2 и 50% кристалличности в изломе), определенная этими методами, различна. Другая серия опытов была проведена над мягкими полуспокойными сталями, выплавленными в мартеновских и электрических печах. Стали в виде листов толщиной 25,4 мм подвергались испытаниям на удар по Шарпи, на изгиб по Ван дер Вину, на торможение развития трещины по Робертсону, на удар по Пеллини, на взрывное испы­ тание, на разрыв подрезанного образца по Типперу. Сравнение этих видов испытаний показало, что температура перехода в хруп­ кое состояние одной и той же стали, определенная разными мето­ дами, изменяется в весьма широких пределах. Полученные при испытании характеристики не имеют абсолютного значения, а по­ казывают реакцию стали на определенные условия испытания. Влияние химического состава, метода выплавки стали, ее раски­ сления, микроструктуры на ударную вязкость выявляется в от­ дельных случаях неотчетливо.

Хрупкое разрушение сварных конструкций при низких темпе­ ратурах обусловлено концентрацией напряжений вследствие над­ реза в месте сварного шва. Проведенные в ряде стран (Японии, США, Англии и др.) многочисленные исследования образцов с над­ резом (образцы Шнадта, Тайпера и др.) при низких температурах подтверждают, что одним из главных факторов, обуславливающих хрупкое разрушение образца, является острота надреза. Вместе с тем, испытания образцов разнообразных типов по . различным методам при -низких температурах показывают для одной и той же стали всегда разный температурный интервал хрупкости. Объясня­ ется это тем, что каждая методика предусматривает разные кри­ терии вязкости образцов. Не следует также забывать и того, что образцы сильно отличаются друг от друга как по размерам, так и по форме. Правда, при сравнении результативных данных испыта­ ний, произведенных по разным методикам, предпринимаются все­ возможные попытки изыскать поправочные переводные коэффи­ циенты показателей вязкости материалов. Давно уже ощущается необходимость установления единой методики, единых образцов и т. д., что может быть выполнено только Международным институ­ том сварки.

ГЛАВА VII

НИЗКОЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ И ИХ СВАРИВАЕМОСТЬ

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

В современной технике находят широкое применение низколе­ гированные стали, обычно, содержащие (суммарно) легирующих элементов до 3—5%, и подразделяющиеся в основном на конструк­ ционные машиностроительные и конструкционные строительные стали. Последние называют сталями повышенной прочности. По сравнению с обычной углеродистой сталью низколегированные стали отличаются повышенной прочностью, упругостью, пластично­ стью и вязкостью, а также улучшенными эксплуатационными каче­ ствами в условиях сложно-напряженного состояния, активных сред и т. д.

Как машиностроительные, так и строительные низколегирован­ ные стали отличаются хорошей свариваемостью.

В последние годы наблюдается тенденция применения при соо­ ружении строительных конструкций низколегированных сталей по­ вышенной прочности вместо малоуглеродистых сталей. В отдель­ ных случаях экономия металла при этом достигает 30%• Из низко­ легированной стали сооружены сложные и тяжелые сварные кон­ струкции на Куйбышевской ГЭС. Из этой стали сооружены свар­ ные мосты через реки: Москва (в 1955 г.), Даугава (в 1957 г.), Томь, а также целый ряд других конструкций. Широкое примене­ ние нашла низколегированная сталь при строительстве Братской ГЭС. Из этой стали будут изготовлены трубчатые конструкции сверхвысоких телевизионных башен в Ленинграде (высота 300 м) и Москве (высота 500 м).

Конструкции из низколегированных сталей повышенной проч­ ности обладают более высокой (по сравнению с малоуглеродисты­ ми сталями) работоспособностью при низких температурах. Они имеют более низкую температуру порога хладноломкости, что яв­ ляется весьма важным для конструкций, эксплуатируемых в север­ ных районах страны.

Широкое применение низколегированных сталей является одной из актуальнейших задач, имеющих большое народнохозяйствен­ ное значение.

87

НИЗКОЛЕГИРОВАННАЯ СТАЛЬ МАРКИ 15ХСНД(НЛ-2)

На протяжении 10—15 последних лет для строительных конст­ рукций в нашей стране широко применялась низколегированная сталь марки 15ХСНД. Состав этой стали: 0,12—0,18% С; 0,4— 0,7% Si; 0,4—0,7% Мп; 0,6—0,9% Сг; 0,3—0,6% Ni; 0,2—0,4% Си.

Всесторонним исследованием, проведенным в научно-исследова­ тельских институтах, было установлено, что сталымарки 15ХСНД обладает по сравнению со сталью марки Ст. 3 более высокими характеристиками прочности при .достаточном запасе пластично­ сти. С понижением температуры не наблюдается значительного

изменения	ударной	вязкости этой	стали (при	+ 20°С	ударная
вязкость	примерно	20 кГм/см2,	при —40° С	17—18	кГм/см2).

Проведенное [74] исследование с целью определения целесооб­

разности	замены малоуглеродистой мартеновской кипящей ста­
ли марки	Ст. 3 сталью марки 15ХСНД в сварных вагонострои­

тельных конструкциях показало, что она вполне удовлетвори­ тельно сваривается контактной и дуговой сваркой. При ручной дуговой сварке рекомендуются электроды марки УОНИ-13/45. Кон­ тактная точечная сварка листовой стали толщиной 3 мм выполня­ лась на машинах типа АТП-50 диаметром контактной поверхности верхнего электрода 10 мм, нижнего электрода 32 мм, при напряже­ нии холостого хода 7 в. Электрозаклепочная сварка этой стали может выполняться при токе короткого замыкания в пределах от 720 до 1200 а под флюсом марки ОСЦ-45 с использованием элек­ тродной проволоки марки Св1 диаметром 6 мм. Применима также автоматическая сварка под флюсом; при помощи последней сва­ ривали пластины толщиной 12 мм для изготовления образцов для испытания на удар. Режим сварки: ток переменный, сила тока 650—700 а, напряжение 34—36 в, скорость сварки 0,78 см/сек. Ука­ занный режим сварки обеспечивает получение наилучших свойств металла околошовной зоны, если при этом скорость охлаждения ее при температуре 520° С (соответствующей минимальной устой­ чивости аустенита) находилась в пределах от 2 до 5,5° С/сек.

Для стыкового сварного соединения из стали марки 15ХСНД порог хладноломкости не наступал даже при температуре —80° С. Результаты исследования свариваемости показали, -полную целе­ сообразность применения в вагоностроении стали марки 15ХСНД. Исследователи [155] показали, что при автоматической сварке ста­ ли марки 15ХСНД в вертикальном и нижнем положении под обыч­ ными стандартными флюсами для получения высоких значений ударной вязкости при низких температурах следует рекомендовать использование проволоки с содержанием 1,8—2,6% Мп и не более 0,15% С. Возможно также использование электродной проволоки марки 15М.

В одном из предприятий произведена разработка режимов свар­ ки хладостойкой низколегированной стали марки 15 ХСНД (с со­ держанием от 0,54 до 0,80% Сг и от 0,24 до 0,38% Ni) раскис-

ленной алюминием и титаном. При разработке режимов учитыва­ лась склонность стали закаливаться под влиянием термическогоцикла сварки, что могло при неправильном ведении процесса при­ вести к образованию в зоне термического влияния твердых и хруп­ ких структур, понижающих способность стали к деформации.

Поэтому при выборе режима сварки особое внимание обраща­ лось на определение погонной энергии дуги, которая обеспечивала бы оптимальную скорость охлаждения металла с целью получения наиболее высоких механических свойств, наилучшей структуры.

Из расчетных номограмм Н. Н. Рыкалина была принята ско­

рость охлаждения порядка 10—\\°С(сек. При меньших скоростях
охлаждения наблюдается		рост зерна из-за	перегрева металла, а
при больших — возможна		закалка. Пластины толщиной от 12 до
40 жм сваривались	автоматической сваркой		под флюсом марки
ОСЦ-45 проволокой	марки	1А. Ударная вязкость при температуре

испытания —40° С оказалась равной 6 кГм1см2. Наплавленный ме­ талл обладает высокой прочностью и пластичностью, что свиде­ тельствует о правильно выбранном режиме автоматической сварки (для пластин толщиной 40 мм ток 1000 а, напряжение 40 в, ско­ рость сварки 24 м/ч, погонная энергия 13 000—14000 кал/см). Про­ веденное исследование позволило подобрать оптимальные режимы ручной дуговой сварки в стык соединений из стали марки 15ХСНД толщиной 20 мм, электродами марки УП-2/45 (табл. 3).

				Таблица 3
Диаметр электрода	Ток	Напряжение	Скорость	Погонная энергия
в мм	в а	в в	сварки	дуги в калJсм
			в см/мин
4	200	25	13-15	4000-4500
5	260	25	10-12	6000-7000

Главными достоинствами стали марки 15ХСНД являются ее низкий порог хладноломкости, наступающий примерно при —60аС и повышенная антикоррозийность. Сравнительно высокие значения прочностных характеристик позволяют назначать расчетное сопро­ тивление элементов из этой стали почти на 40% большими по срав­ нению с малоуглеродистой строительной сталью марки Ст. 3, что приводит к экономии металла.

Сталь марки 15ХСНД имеет ряд существенных недостатков-, к которым прежде всего следует отнести повышенную на 20—25% (по сравнению со сталью марки Ст.З) трудоемкость изготовления деталей, обусловленную пониженными режимами резания. Другим существенным недостатком, общим для низколегированных сталей

я в л я е т с я ее	с р а в н и т е л ь н о н и з к и й п р е д е л вы­
н о с л и в о с т и	( о с о б е н н о	д л я	с в а р ных с о е д и н е ­
ний), который	не превышает предела		выносливости малоуглеро-

диетой стали. Эти стали марки 15ХСНД почти на 40% дороже ма­ лоуглеродистой стали. Последнее обстоятельство ограничивает применение стали марки 15ХСНД.

НИЗКОЛЕГИРОВАННАЯ МАРГАНЦОВИСТАЯ СТАЛЬ МАРКИ 14Г2

Исследование свойств стали марки 14Г2 при низких -темпера­ турах проводили на ряде предприятий {19]. Исследовали четыре плавки стали толщиной 10, 20 и 30 мм следующего химиче­ ского состава: 0,16—0,20% С, 1,47—1,58% Мп, 0,24—0,25% Si, 0,026—0,028% S; 0,018—0,023% Р, следы Сг; 0,02% Ni; 0,04— 0,06% Си; 0,01% А1 (остаточный) 0,02% Ti (остаточный). Две плавки стали были при изготовлении раскислены удовлетворитель­ но, а две — неудовлетворительно. Следует заметить; что хорошо раскисленная сталь марки 14Г2 сохраняет высокие значения удар­

ной вязкости при низких температурах	(при +20° С—17 кГм/см2,
при 0°С—13 кГм/см2, при —20° С—11	кГм/см2 при —40° С—

10 кГ/см2 и при —60°С—3,1 кГм/см2). Температура порога хлад­ ноломкости обычно находится между —40 и —60° С, т. е. в том же примерно интервале, что и для стали марки 15ХСНД. Даже при неудовлетворительном раскислении температура порога хладно­ ломкости находится в пределах —20—40° С.

Предел прочности стали марки 14Г2 около 55 кГ/мм2, относи­ тельное удлинение 25—28%, относительное сужение 50—60%.

За критическую температуру или за температуру порога хлад­ ноломкости при исследовании принималась такая температура, при которой наблюдался наибольший разброс значений ударной вязкости, а ее минимальные абсолютные значения были равны или «больше 4 кГм/см2. Для сравнения были проведены также исследо­ вания образцов соответствующих толщин сталей марон Ст.З и 15ХСНД. Сварка производилась вручную электродами марок УП-2/55 (типа Э50А), УП-2/45,СМ-11 (типа Э42А),ОММ-5 и СМ-5, (типа Э42). Лучшие результаты получены при сварке электродами марки УП/55. В этом случае прочность и пластичность сварных соединений при статическом растяжении оказались более высоки­ ми, чем у основного металла. Аналогичные результаты получены и яри работе с электродами типа Э42А. Неудовлетворительные ре­ зультаты были получены при работе с электродами марки ОММ-5, которые давали пористый наплавленный металл. Наиболее близки­ ми к основному металлу по показателям ударной вязкости, а также по температуре порога хладноломкости оказались сварные швы, выполненные электродами марки УП-2/45 и УП-2/55, что и позво­ лило рекомендовать их для сварки конструкций из стали марки 14Г2, к которым предъявляются высокие требования в части пла­ стичности и ударной вязкости при низких температурах.

Для оценки свариваемости стали производили наплавку (при различных значениях погонной энергии) на пластины в исходном

90