Принципы выбора сварочных материалов для различных случаев сварки

На механические и физико-химические свойства металла шва весьма существенное влияние оказывает его химический состав. Поэтому для получения свойств, удовлетворяющих требованиям надежности конструкции при эксплуатации, весьма важным является правильный выбор сварочных материалов. При выборе сварочных материалов следует исходить из необходимости получения плотных беспористых швов, обеспечивающих высокую технологическую и эксплуатационную прочность сварных соединений, а если это требуется, то и специальные свойства: жаропрочность, коррозионную стойкость, износостойкость и др. В соответствии с этим первым условием при выборе сварочных материалов является получение плотных беспористых швов. Вопрос о порообразовании в сварных швах был рассмотрен в гл. V и VI (§ 47). Поэтому напомним только, что для устранения пористости в стальных швах необходимо принимать меры как к ограничению поглощения металлом ванны водорода и азота, так и к торможению реакции окисления углерода в период кристаллизации сварочной ванны. Ограничение поглощения металлом азота достигается лучше защитой зоны сварки от соприкосновения с воздухом. Уменьшение содержания водорода в ванне может быть обеспечено за счет устранения или ограничения причин, вызывающих поглощение водорода металлом: влаги покрытия или флюса, ржавчины на свариваемых кромках, атмосферной влаги, органических загрязнений свариваемых поверхностей, органических материалов электродных покрытий, а также путем связывания водорода в химически прочные при высокой температуре, нерастворимые в - металле ванны соединения. Для торможения реакций окисления углерода в период кристаллизации сварочной ванны необходимо обеспечивать в ней определенное количество элементов-раскислителей, например кремния, марганца и др. Вторым условием при выборе сварочных материалов является получение металла шва, обладающего высокой технологической прочностью, т. е. не склонного к образованию горячих трещин. В результате ряда исследований установлено, что химический состав металла шва оказывает решающее значение на состав межзеренных прослоек и тем самым на стойкость шва против образования горячих трещин. Как указывалось выше (см. гл. VI), сера, углерод и другие элементы, образующие в сталях прослойки легкоплавких эвтектик, затвердевающие при относительно низких температурах, увеличивают склонность металла шва к образованию горячих трещин. Наоборот, марганец повышает технологическую прочность швов, связывает серу в тугоплавкое соединение MnS, вследствие чего устраняются жидкие прослойки. Присутствие серы наиболее сильно влияет на образование горячих трещин. Так, например, при дуговой сварке сталей увеличение содержания серы в наплавленном металле до 0,0350,040% часто приводит к образованию трещин. Повышение содержания углерода в шве сильно увеличивает опасность образования горячих трещин, вызываемых серой. Так, при сварке углеродистых и низколегированных конструкционных сталей повышение содержания углерода свыше 0,16% приводит к появлению горячих трещин даже при малых количествах серы и достаточно высокой концентрации марганца. Совместное влияние серы, углерода и марганца при сварке углеродистых конструкционных сталей на склонность к образованию горячих трещин показано на рис. VI.34. Подобно углероду, но в меньшей степени, на склонность металла шва к образованию горячих трещин влияет кремний. Хром, вольфрам, молибден, ванадий, титан и некоторые другие элементы, присутствующие в металле шва, даже при малом содержании углерода могут вызвать горячие трещины. Изучение тройных диаграмм железо углерод хром, железо углерод вольфрам и других показывает, что при кристаллизации сплавов такого рода твердую фазу образует аустенит, а жидкая фаза, все более обогащаясь углеродом, затвердевает в виде эвтектики типа ледебурита при относительно низких температурах. По-видимому, эта карбидная эвтектика и создает жидкие прослойки между кристаллами, способствуя образованию горячих трещин. Как правило, чем сильнее тот или иной элемент снижает растворимость углерода в аустените, тем в большей степени он способствует образованию горячих трещин в сварных швах. Карбидообразователи можно расположить в следующем порядке по убывающей степени их влияния на образование горячих трещин: титан, ванадий, вольфрам, молибден, хром, марганец. Образованию горячих трещин способствуют также элементы более легкоплавкие, чем железо, обладающие ограниченной растворимостью в железе. К числу таких элементов, например, относится медь. Третьим условием при выборе сварочных материалов является получение металла шва, имеющего требуемую эксплуатационную прочность. Чтобы установить, какими механическими характеристиками должен обладать металл шва, рассмотрим характер развития деформаций в сварных соединениях под нагрузкой в зависимости от соотношения механических свойств металла шва и основного металла. Если подвергнуть растяжению сварной образец с поперечным швом (рис. VIII. 10, а), то при идентичности механических характеристик и диаграмм растяжения основного и наплавленного металлов, а также металла переходной зоны деформации развиваются по закону, определяемому общей диаграммой растяжения. Если же окажется, что металл шва обладает более высоким пределом прочности (рис. VIII. 10, 6, кривая II), чем основной металл (кривая I), то удлинения в пределах шва будут меньше, чем в основном металле. К моменту достижения предела прочности в основном металле условия для образования шейки в металле шва отсутствуют. Поэтому разрушение произойдет по основному металлу на участке между губками разрывной машины и швом. Предел прочности

Разница в величине относительного удлинения сварного образца и основного металла тем меньше, чем меньше разница в свойствах

основного металла и металла шва. Это иллюстрируется рис. VIII.11, б, где рассматривается случай, когда металл шва обладает более высоким пределом прочности и меньшей пластичностью (кривая •//), чем основной металл (кривая /), но пластические свойства металла шва выше, чем принятые на рис. VIII.11, а. Из рис. VIII. 11, б видно, что в этом случае действительное относительное удлинение сварного образца е3 меньше отличается от относительного удлинения основного металла ех.

будет также небольшой. Из рассмотрения условий совместной работы металла шва и основного металла и развития деформаций сварных образцов можно сделать следующий вывод: при выборе сварочных материалов необходимо учитывать, что для обеспечения высоких эксплуатационных свойств сварного соединения следует применять такие материалы, при использовании которых металл шва получится не только с высокими показателями прочности (предел прочности металла шва должен быть не ниже предела прочности основного металла), но и достаточно пластичным. В некоторых случаях, например при сварке высокопрочных среднелегированных сталей, невозможно подобрать такие сварочные материалы, которые обеспечивали бы получение равнопрочного шва при достаточно высокой его пластичности. Тогда следует отдать предпочтение сварочным материалам, с помощью которых можно получить металл шва, хотя и с несколько меньшим пределом прочности, но обладающий высокими пластическими свойствами. Работоспособность таких сварных соединений, в которых металл шва является как бы мягкой прослойкой, зависит, как показали исследования О. А. Бакши, от соотношения ее свойств и свойств основного металла и от относительной толщины мягкой прослойки. При растяжении сварного соединения с мягкой прослойкой последняя переходит в пластическое состояние до того, как напряжения в основном металле достигают его предела текучести. В результате этого в прослойке происходит концентрация пластических деформаций. Однако пластическому деформированию прослойки вблизи контактных поверхностей (границ раздела с основным металлом) препятствует прилегающий к ней металл, который имеет более высокий предел

(VIII. 1)

предел текучести металла мягкой прослойки.

0,4%) и марганца до 1,5% (обычно 0,65ч-1,2%). Четвертым условием при выборе сварочных материалов является получение металла шва, обладающего комплексом специальных свойств (например, высокой коррозионной стойкостью, жаропрочностью, износостойкостью и др.). Эти требования выдвигаются при сварке легированных сталей специального назначения либо при наплавке слоев с особыми свойствами. При сварке высоколегированных сталей и наплавке слоев с особыми свойствами химический состав металла шва или наплавок в большинстве случаев должен быть таким, при котором шов обладает высокой технологической прочностью (имеет повышенную стойкость против образования горячих и холодных трещин). Так, например, при сварке хромоникелевых аустенитных ^сталей металл шва для сохранения жаропрочности или коррозионной стойкости должен по своему составу быть близким к составу свариваемой стали. Хромоникелевый аустенитный металл шва обладает повышенной склонностью к образованию горячих трещин (см. гл. VII).

. Более точный учет может быть осуществлен дополнительным расчетом удаления из раствора стойких химических соединений (например, TiC, Сг2В2 и др.), однако для приближенной оценки возможной структуры можно использовать и рис. VII. 14. Применительно к длительной эксплуатации сварных соединений при повышенных температурах количество ферритной составляющей в структуре должно укладываться в узкие пределы (25%), чтобы избежать как горячих трещин при сварке, так и охрупчивания от

теплового старения. Поэтому при выборе сварочных материалов для сварки хромоникелевых жаропрочных сталей необходимо проверять их пригодность по количеству ферритной фазы в металле шва. Требуемое количество феррита в металле шва можно получить подбором соответствующего состава наплавленного металла, т. е. регулируя содержание различных легирующих элементов в сварочных материалах. Если при сварке чисто аустенитной жаропрочной стали феррит в металле шва недопустим, то в качестве второй фазы, предупреждающей возникновение горячих трещин, используют карбиды. Выбор материалов для наплавки слоев с особыми свойствами производят исходя из условий эксплуатации изделия и ограничивать содержание углерода и многих других элементов, увеличивающих склонность к образованию горячих и холодных трещин, в этом случае не представляется возможным. Вследствие этого главным способом предупреждения трещин при наплавке износостойких сталей и сплавов, является предварительный подогрев изделия.