Технологические пробы на свариваемость стали

Одними из самых опасных дефектов сварных соединений конструкций являются трещины, возникающие чаще всего при сварке высокоуглеродистых и легированных, в т.ч. низколегированных строительных, сталей в связи с возможным образованием закалочных структур в результате больших скоростей охлаждения при сварке. Вместе с тем, трещинообразование зависит не только от химсостава основного металла, но и от жесткости узлов и технологии сварки, от применяемых сварочных материалов, их подготовки и т.д. Поэтому для производственных условий, при выполнении научно-исследовательских работ и расследовании аварий строительных конструкций часто применяют испытание различных образцов (пробы), что также не является универсальным и не учитывает одновременно все факторы, влияющие на свариваемость.

Технологические пробы на свариваемость подразделяют на качественные и количественные, пробы – на оценку склонности стойкости против образования «горячих» и «холодных» трещин при сварке.

Всего в мире известно более трехсот проб. Рассмотрим две из них.

В зависимости от температурного интервала возникновения различают трещины горячие (кристаллизационные) и холодные (внутрикристаллические).

Горячие или кристаллизационные трещины это такие, которые появляются в металле на завершающей стадии кристаллизации в интервале температур 1200-1000^оС. При остывании и затвердевании шва в процессе первичной кристаллизации между кристаллами остаются жидкие или полужидкие обогащенные растворенными элементами прослойки с температурой плавления ниже, чем у основного металла. При существовании таких прослоек в момент появления растягивающих напряжений, вызванных неравномерностью нагрева и остывания при сварке, в шве образуются горящие трещины. Они проходят по этим малопрочным прослойкам между кристаллами.

Горячие трещины могут появляться и в околошовной зоне, где при действии высокой температуры по границам растущих зерен выделяются легкоплавкие составляющие и вредные примеси.

Образование горячих трещин зависит от химсостава металла шва, термического цикла сварки, вида соединения и жесткости конструкции, направленности кристаллизации и др. Склонность наплавленного металла к образованию трещин увеличивают сера (FeS; MnS+FeS), углерод, кремний, водород и т.д.

Существует несколько способов определения стойкости стали против образования горячих трещин. Один из способов, применяемый для всех способов дуговой сварки при толщине металла от 8 до 60 мм, состоит в следующем.

Для пробы (испытания) изготавливают образец из двух пластин (рис. 2.1), привариваемых по контуру к плите, и имеющих разделку кромок под сварку контрольного стыкового шва. Заваренный контрольный стыковой шов после остывания осматривают через лупу с целью выявления наружных трещин. После этого удаляю закрепляющие швы и образец разрезают на 4 темплета шириной b = 70 мм (при сварке под флюсом) и b = 45 мм – при ручной сварке. Темплеты разрушают по контрольному шву путем изгиба или растяжения и изучают излом на предмет наличия трещин. По наличию или отсутствию трещин дают качественную оценку склонности металла шва к образованию трещин.

Рис. 2.1.Образец для определения стойкости металла шва против образования горячих трещин.

Несколько видоизмененной конструкции подготавливают и исследуют образцы для определения склонности к образованию трещин углового шва или околошовной зоны.

Качественная проба Кировского завода на холодные трещины. На дно выточки образца из испытуемой стали (рис. 2.2), представляющего собой круглую, жестко заделанную по периметру пластину, наплавляют по диаметру валик сварного шва. В процессе наплавки регулируют интенсивность охлаждения сварного соединения, а тем самым распределение и величину твердости в зоне термического влияния (ЗТВ) и напряженное состояние, с помощью подогрева или охлаждения обратной поверхности образца. После остывания из образца вырезают темплеты шириной b = 8 – 10 мм, на боковых гранях которых изготавливают микрошлифы и изучают под микроскопом с целью выявления трещин. При этом измеряют микротвердость структуры по Виккерсу или Роквеллу. Т.к. выявить микротрещины при этом маловероятно, критерием оценки их образования при сварке (в процессе остывания) является наличие (отсутствие) структуры мартенсита, обладающей весьма высокой твердостью (Н_Б = 500 – 600) и полным отсутствием пластических свойств.

Рис. 2.2.Качественная проба Кировского завода на холодные трещины

Сталь считается хорошо сваривающейся, если при охлаждении образца водой трещины в наплавляемом валике и ЗТВ не появляются. При появлении трещин в случае охлаждения водой, но при отсутствии их при охлаждении на воздухе, сталь считается удовлетворительно сваривающейся. К ограниченно сваривающимся относятся стали, дающие трещины при охлаждении сварного соединения на воздухе и не дающие – при подогреве образца до Т ≤ 50^оС. Избежать трещинообразования при сварке плохосваривающихся сталей можно только с помощью предварительного подогрева до более высокой температуры (Т > 150^оС).