Теория сварочных напряжений и деформаций

Особенности углеродистых и легированных закаливающихся сталей, осложняющие процесс сварки

Процесс сварки сталей с повышенным содержанием углерода и легирующих элементов сопровождается частичным окислением этих элементов в сварочной ванне и дуге. Наряду с этим возможно легирование шва элементами, имеющимися в основном металле. Легирующие элементы замедляют изотермический распад аустенита, что при высоких скоростях охлаждения, свойственных процессам сварки, может вызвать образование закалочной структуры мартенсита и образование трещин в шве и зоне термического влияния. Указанный процесс удобно рассматривать по кривым изотермического распада аустенита (называемым иногда С-образными кривыми). Левая кривая определяет начало распада аустенита и показывает время выдержки изделия при данной температуре, необходимое для начала процесса распада аустенита. Это время обычно называется инкубационным периодом. Правая кривая определяет конец распада аустенита, т. е. показывает время выдержки изделия при заданной температуре, необходимое для окончания процесса распада аустенита. Время прохождения процесса распада аустенита называется периодом распада аустенита. Устойчивость аустенита данной стали, период его распада, а также свойства и структура продуктов распада изменяются в зависимости от температуры распада. При высоких температуpax скорость распада аустенита мала и время распада велико; по мере снижения температуры скорость распада возрастает и время распада уменьшается. При некоторой температуре, которая зависит от состава стали, скорость распада достигает максимума. Эта температура характеризует момент наименьшей устойчивости аустенита. Продуктами распада при скорости охлаждения, определяемой кривой, явится смешанная структура перлита с мартенситом. Если скорость охлаждения будет еще больше, нормальный распад аустенита даже не начнется. Температуры начала и конца мартенситного превращения зависят от содержания в стали углерода и для сталей, применяемых в судостроении, находятся в интервале 350-200° С. Очертание кривых изотермического распада аустенита зависит от химического состава стали, однородности аустенита и размеров его зерна (при больших зернах распад замедляется). Почти все легирующие примеси, а также углерод увеличивают инкубационный период и замедляют процессы распада аустенита, увеличивая период распада. По убывающей степени замедляющего действия, оказываемого на процессы распада аустенита, элементы располагаются в следующей последовательности: углерод, хром, молибден, ванадий, марганец, медь, никель, кремний. Таким образом, при сварке сталей с повышенным содержанием углерода, а также сталей легированных будет происходить не только выгорание легирующих элементов, но и образование в зоне термического влияния либо в металле шва новых структур, отличных от исходной структуры основного металла. Это во многих случаях может привести к образованию трещин, так как в зоне сварки образуются структуры с различными физическими свойствами, резко отличающиеся по своим механическим качествам, удельному весу и объему, коэффициентам линейного и объемного расширения и типу кристаллической решетки. Для характеристики изменения механических свойств можно привести, например, изменение твердости (по Виккерсу): перлит - 180, сорбит - 250, тростит - 360, мартенсит - 600. Трещины в шве часто являются горячими, т. е. возникают при температурах, близких к температуре солидуса. Трещины в шве могут быть продольными и поперечными. Сварка швов в особо жестком контуре, не допускающем их поперечного укорочения, приводит к образованию продольных трещин. Если кромки не закреплены, но изделие массивное и оказывает значительное сопротивление продольному укорочению шва, могут возникнуть поперечные трещины. Если прочность и пластичность металла шва выше, чем в зоне термического влияния, то трещины (продольные либо поперечные) могут возникнуть в этой более хрупкой зоне основного металла. Зная причины возникновения трещин при сварке закаливающихся сталей, можно установить требования к технологии, при выполнении которых трещины возникать не будут: тепловой режим сварки (сила тока, скорость сварки) должен обеспечивать скорость охлаждения, меньшую критической. Если режим сварки этого не обеспечивает, можно применить подогрев для уменьшения скорости охлаждения. Для сталей малопластичных можно уменьшить жесткость конструкции, разбив ее на отдельные узлы и выполняя объем сварки поочередно в пределах отдельного свариваемого узла

Осложнения при сварке высоколегированных сталей с особыми свойствами

К рассматриваемой категории сталей относятся хромистые и хромоникелевые стали с высоким содержанием хрома либо хрома и никеля, применяемые в судовом машиностроении (1Х18Н9Т, 1X13, 2X13 - для элементов турбин) или для плакирования обычных корпусных сталей с целью повышения их коррозионной стойкости (двуслойные корпусные стали с основным слоем Ст. 3, 09Г2, СХЛ-4 и плакирующим слоем из 1Х18Н9Т). Особые свойства этих сталей - жаропрочность и коррозионная стойкость - обусловливаются высоким содержанием хрома и никеля, наличие которых делает сталь чувствительной к сварочному нагреву. Хромистые стали типа 1X13 и 2X13 после воздействия сварочного нагрева и охлаждения на воздухе закаливаются с образованием мартенсита, что может приводить к образованию трещин. Хромоникелевая сталь 1Х18Н9Т, имеющая в исходном состоянии аустенитную структуру, в результате сварочного нагрева в зоне сварки может терять стойкость против коррозии и, кроме того, приобретает склонность к образованию горячих трещин. Причины закалки стали при сварке были рассмотрены выше, поэтому здесь ограничимся рассмотрением причин изменения свойств хромоникелевой стали 1Х18Н9Т под воздействием сварочного нагрева. Как сталь 1Х18Н9Т, так и другие стали подобного типа в конечном состоянии имеют структуру однофазного аустенита. Процесс кристаллизации такого металла в шве характеризуется отсутствием процессов вторичной кристаллизации и образованием крупных столбчатых кристаллов. Эти крупные кристаллы образуются в результате взаимно связанной цепи кристаллизации металла по слоям таким образом, что дендриты каждого последующего слоя являются продолжением дендритов предыдущего слоя (металл имеет так называемое транскристаллитное столбчатое строение). По границам этих столбчатых кристаллов могут располагаться различные легкоплавкие эвтектики (например, FeS + S имеет температуру плавления около 1000° С; NiS + Ni имеет температуру плавления 625° С); процессу ликвации способствуют также углерод, фосфор и другие элементы. В процессе возникновения в металле (при его охлаждении) деформаций растяжения эти прослойки легко разрушаются, что и приводит к образованию горячих межкристаллитных трещин. Этому способствует также и недостаточная прочность самих однофазных кристаллов. Помимо этого, под воздействием сварочного нагрева металл известное время находится в интервале температур 400-650° С, при которых происходит интенсивное образование карбидов хрома (CrFe)4C с выделением их на границах зерен, что приводит к уменьшению содержания хрома в зернах аустенита вблизи границ. Процессу образования карбидов хрома способствует то обстоятельство, что углерод в аустенитной стали обладает ограниченной растворимостью (до 0,02-0,04%), а содержится его в этих сталях до 0,12%. Процессу образования карбидов способствуют также и такие элементы, как, например, S, P, Сu, Nb. В местах, обедненных хромом, сталь утрачивает стойкость против коррозии, так как здесь образуется анодная область пары: основное зерно плюс прослойка с карбидом - катод; зона, обедненная хромом, - анод. Эта небольшая анодная зона подвергается действию коррозионного тока значительной величины и интенсивно коррозирует. Таким образом, технология сварки хромистых сталей должна предусматривать меры против закалки металла в зоне сварки, а при сварке хромоникелевых аустенитных сталей - против межкристаллитной коррозии металла ЗТВ, связанной с выпадением карбидов хрома, и против склонности металла шва к образованию горячих (кристаллизационных) трещин, связанной с наличием ликвирующих примесей и однофазной структурой аустенита.

Сварка закаливающихся сталей с повышенным содержанием углерода и легирующих элементов

Возможность образования трещин существенно зависит от состояния легированных сталей до сварки; например, от их предварительной термической обработки. В зависимости от класса стали предварительной термической обработки и условий сварки основной металл в зоне термического влияния может иметь различные механические качества. Различная твердость в шве определяется различной степенью легирования и подкалки металла шва. Если известен химический состав стали, возможность образования трещин при сварке низколегированных сталей иногда определяется расчетом эквивалентного содержания углерода по эмпирической формуле. Химические символы в этой формуле показывают количество бычно применяемых легирующих элементов в процентах. Считается, что, если эквивалентное содержание углерода Сэ в стали превышает 0,30%, процесс сварки может сопровождаться образованием трещин, и, следовательно, сварку такой стали необходимо производить по специальной технологии (эквивалентное содержание углерода Сэ следует рассчитывать по верхнему предельному содержанию элементов или по содержанию, полученному путем химического анализа). Такой подход является весьма приближенным и использование формулы допустимо только в тех случаях, когда отсутствует подробная характеристика необходимых условий сварки. Склонность сталей с повышенным содержанием углерода и легирующими примесями к образованию холодных трещин в результате сварки часто определяют опытным путем - пробами на свариваемость. В качестве примера одной из простейших проб можно рассмотреть пробу Кировского завода, которая заключается в том, что на образец испытуемой стали размером 130 X 130 X 12 мм, имеющий круговую выточку диаметром 80 мм и глубиной 6-10 мм, наплавляется валик. Закончив сварку и охлаждение образца, осматривают зону сварки и определяют качество стали с точки зрения свариваемости на основании наличия или отсутствия трещин. Сталь считается хорошо сваривающейся, если трещины не возникают ни при каких условиях сварки и охлаждения (например, при охлаждении донышка проточной водой). Процесс сварки рассматриваемых сталей должен обеспечить компенсацию угара легирующих элементов и получение металла шва, не склонного к образованию трещин и обладающего механическими характеристиками, соответствующими основному металлу. Это может быть достигнуто применением легированной электродной проволоки при защитном покрытии или флюсе, либо малоуглеродистой электродной проволоки при защитно-легирующем покрытии или флюсе. При ручной сварке преимущественно применяют электроды из малоуглеродистой сварочной проволоки Св08 и Св08А с защитно-легирующим покрытием типа УОНИ-13 или ЦЛ. В случаях, когда требуются последующая термообработка сварных швов и металл с повышенными прочностными показателями, применяют электроды УОНИ-13/85, ЦЛ-6, ЦУ-2М, ЦУ-2ХМ, изготовленные из малоуглеродистой проволоки Св08 и Св015 с легирующим покрытием (до 30% легирующих элементов в покрытии). Автоматическая сварка под флюсом пригодна только для некоторых марок закаливающихся сталей, применяемых в судовом машиностроении (например, 15М, 15ХМ, 25Н, 30ХМА). В этих случаях выбор марки проволоки и флюса должен соответствовать рекомендациям, сделанным отдельно для каждой марки стали. Режим сварки должен обеспечить определенные свойства стали в зоне сварки и предотвратить образование трещин. Н Н. Рыкалин разработал расчетный метод, позволяющий заранее выбрать и назначить такой режим сварки закаливающейся стали, который обеспечит получение требуемой структуры и механических свойств металла в околошовной зоне. В основу этого метода положены две зависимости: 1) зависимость типа структуры околошовной зоны рассматриваемой марки стали от скорости охлаждения (устанавливается по специальным пробам); 2) зависимость скорости охлаждения от условий сварки и конструкции соединения (рассчитывается по теории Н. Н. Рыкалина). Сравнивая величину получаемой скорости охлаждения с той, которая требуется для обеспечения заданной структуры, при необходимости изменяют термический режим сварки: 1) изменением погонной энергии; 2) подогревом изделия; 3) применением многослойной сварки. Указанные способы регулирования термического режима сварки вытекают из формул для расчета мгновенных скоростей охлаждения при сварке и имеют целью снизить скорость охлаждения. Мгновенные скорости охлаждения снижаются при увеличении погонной энергии или начальной температуры изделия (подогрева изделия). Погонную энергию можно изменять, меняя силу сварочного тока или скорость сварки (величина напряжения изменяется в сравнительно небольших пределах). Однако возможности изменения погонной энергии при ручной сварке ограничены. Сила тока может быть изменена в небольших пределах. При автоматической сварке возможно более резкое изменение погонной энергии, так как и сила тока и скорость сварки изменяются в широких пределах; однако и в этом случае возможности ограничены, так как для уменьшения доли участия основного металла в формировании шва (что уменьшает переход углерода и других легирующих элементов из основного металла в шов) сварку ведут при малых силе тока и скорости. Значительно более эффективным способом уменьшения скорости охлаждения зоны сварки является применение подогрева изделия. Подогрев в зависимости от его назначения бывает следующих видов: 1) предварительный (режим А), осуществляемый до начала сварки; применяется для массивных изделий при небольшом объеме сварки; 2) сопутствующий (режим Б), осуществляемый до начала сварки, но продолжающийся и в процессе сварки; применяется для изделий сложной формы и тонкостенных с большим объемом сварки; 3) выравнивающий (режим В), осуществляемый по окончании сварки для замедления охлаждения изделия; применяется для изделий, не очень склонных к быстрому образованию трещин, с небольшим объемом сварки; 4) предварительный и выравнивающий (режим Г); применяется для изделий сложной формы с большим объемом сварки, к которым нельзя применить сопутствующий подогрев. Необходимая температура подогрева рассчитывается по формулам; она колеблется обычно в пределах 100-200° С, а при сварке особо сложных узлов увеличивается до 300-500° С. Более высокая температура подогрева необходима для массивных изделий, при сварке которых околошовная зона охлаждается быстрее за счет теплоотвода в основной металл. Подогрев обычно осуществляется пламенем газовой горелки, в печах, а также токами высокой или промышленной частоты (при сварке валов и других изделий с компактным поперечным сечением). При сварке стали большой толщины (если шов заданного сечения выполняется многослойным) следует учитывать два обстоятельства: 1) в слоях шва, удаленных от основного металла, легирование за счет основного металла не имеет места; поэтому для сохранения высоких механических свойств металла шва эти слои необходимо сваривать электродами, дающими наплавленный металл, равнопрочный основному, без дополнительного его легирования за счет основного металла (например, начиная сварку электродами УОНИ-13/45, верхние слои варить электродами УОНИ-13/65 и т. п. ); 2) условия нагрева и охлаждения как металла шва, так и ЗТВ меняются. С точки зрения теплового воздействия можно выделить два основных случая: 1) каждый слой имеет значительную длину (до 1-1,5 м). Ко времени наложения каждого следующего слоя предыдущий успеет полностью остыть и последующий валик окажет только «отжигающее» действие на предыдущий слой. Зона подкалки, образующаяся при наложении каждого слоя , благодаря нагреву при укладке последующего слоя нагревается вплоть до температуры высокого отпуска. Происходит отпуск этой зоны. При таком тепловом воздействии структура мартенсита переходит в структуру тростита и сорбита, что обеспечивает достаточно хорошую обрабатываемость, прочность и пластичность стали в этом слое. Для отпуска зоны закалки последних слоев (в случае, если металл шва сам не закаливается) поверх шва накладывается отжигающий валик, который после полного охлаждения шва можно при необходимости удалить механическим способом 1-й слой. Многослойная сварка длинными слоями применима только к стали, не склонной к сильной подкалке; 2) каждый слой имеет малую протяженность (40-80 мм). В этом случае каждый последующий слой накладывается на еще неостывший металл (т. е. сварка идет как бы с предварительным подогревом), повышая его температуру и замедляя охлаждение металла шва и околошовной зоны. С увеличением количества слоев процесс нагрева и охлаждения стремится к установившемуся состоянию, т. е. к состоянию, при котором температура околошовной зоны меняется мало. По окончании сварки шов и ЗТВ охлаждаются медленно (благодаря большому количеству введенного тепла). Металл ЗТВ при охлаждении длительно выдерживается в нижнем субкритическом интервале температуры, в котором происходит распад аустенита с образованием структуры тростита. Такой распад аустенита исключает образование закалочных трещин и обеспечивает требуемые свойства металла зоны термического влияния: сравнительно невысокую твердость, удовлетворительную пластичность и обрабатываемость и т. д. Некоторые сорта среднелегированных корпусных сталей относятся к глубокопрокаливающимся и имеют повышенную склонность к трещинообразованию; в таких сталях превращения структуры в металле шва и ЗТВ происходят неодновременно. Это приводит к перераспределению водорода в металле шва ЗТВ и усилению напряженного состояния в ЗТВ. Сварка таких деталей возможна специальными аустенитными электродами, которые при сварке дают металл шва со структурой аустенита. Металл шва с такой структурой свободно выдерживает значительные пластические деформации без образования трещин. Аустенитные электроды имеют стержень из проволоки Св08Х19Н10Б, Св02Х19Н9 или Св07Х25Н13 и защитно-легирующее покрытие основного типа (мрамор плюс плавиковый шпат 60-80%; FeMn + FeSi + FeTi + FeV - остальное). Порядок сварки особый: вначале на кромки деталей наплавляют слой металла аустенитными электродами, а затем производят термообработку деталей для устранения тех структурных превращений, которые произошли в основном металле при наплавке первого слоя. После термообработки детали сваривают между собой аустенитными электродами в обычном порядке; при этом воздействие сварочного нагрева, способного вызвать структурные изменения, не выходит за пределы первого слоя. В первом же аустенитном слое структурных изменений не происходит. Указанная технология не обеспечивает равнопрочность соединения, но соединение получается без трещин, а равнопрочность для таких соединений требуется не всегда. В том же случае, когда требуется и равнопрочность соединения, она может быть достигнута увеличением сечения шва.

Сварка цветных металлов

Цветные металлы и особенно их сплавы находят довольно широкое применение в судостроении для изготовления труб и арматуры различных трубопроводов, специальной арматуры, отдельных элементов судовых механизмов (холодильники, испарители и т. п. ), дельных вещей, а также при изготовлении надстроек, легких рубок, корпусов, судовой мебели. Для трубопроводов применяют медь и титан; для арматуры и дельных вещей - бронзу, латунь, алюминий, а для изготовления надстроек, корпусов, мебели и т. п. - алюминиево-магниевые сплавы. Для сварки всех указанных металлов и сплавов в различной степени могут применяться те или иные способы сварки (дуговая, газовая и контактная). Процесс дуговой и газовой сварки осложняется некоторыми общими, характерными для всех цветных металлов свойствами, а именно: 1) большим сродством цветных металлов к кислороду, что приводит к быстрому окислению металла и засорению шва окислами; 2) низкой температурой плавления самого металла и высокой температурой плавления окислов; тугоплавкие окислы засоряют металл шва, нарушают его сплошность и снижают прочность соединения; 3) значительной теплопроводностью и теплоемкостью цветных металлов и их сплавов, в результате чего место сварки быстро охлаждается; это вызывает необходимость применения более мощного источника нагрева и во многих случаях делает обязательным предварительный подогрев; 4) низкой температурой плавления и кипения отдельных компонентов сплавов (цинка, олова и др. ), в результате чего они легко улетучиваются в виде паров; 5) низкими механическими свойствами при повышенных температурах, в результате чего при нагреве металлы и сплавы легко разрушаются. Пары отдельных компонентов и их окислов очень вредны для здоровья рабочих-сварщиков, что требует строгого соблюдения определенной технологии и мер техники безопасности при сварке цветных металлов и их сплавов.

Сварка меди и ее сплавов

Медь на судостроительных заводах сваривают угольным электродом либо газовым пламенем, а в ряде случаев - металлическим электродом. Основное осложнение при сварке меди - это интенсивное окисление и засорение сварочной ванны тугоплавким окислом - закисью меди (Сu2О). Закись меди в смеси с медью залегает между зернами основного металла, образуя хрупкие прослойки, по которым и происходит разрушение; сварное соединение становится склонным к трещинообразованию. Процесс сварки может быть осложнен также и тем, что расплавленная медь хорошо растворяет водород. В процессе поглощения расплавленной медью водорода и окиси углерода, находящихся в восстановительной зоне газового пламени или в зоне угольной дуги, в сварочной ванне могут происходить следующие реакции:

H2 + Cu20 = Cu + H20, СО + Cu2O = Сu + СО2

Образовавшиеся пары воды и углекислый газ, находящийся на границах зерен, расширяются и разрушают связи между зернами, что приводит к образованию трещин. Чтобы предотвратить трещинообразование, при сварке применяют прутки присадочной меди, содержащей до 0,3% Р (фосфористая медь). Фосфор, попадая в сварочную ванну, взаимодействует с закисью меди, в результате ванна освобождается от закиси меди и становится жидкотекучей; фосфорный ангидрид как газ свободно удаляется из ванны. Кроме того, принимаются меры для уменьшения возможностей попадания водорода и окиси углерода в сварочную ванну (влага, органические компоненты покрытий, избыток ацетилена в газовом пламени); это устраняет опасность образования трещин и способствует получению более плотного металла шва. Для уменьшения возможности образования хрупких прослоек как в металле шва, так и в ЗТВ медь должна содержать минимальное количество кислорода (в судостроении применяется медь марки МЗС с содержанием кислорода не более 0,01% (по ГОСТ 617-41 с дополнением 1953 г. ). Чтобы избежать растекания металла сварочной ванны, сварку ведут на графитовой подкладке, без перерывов, со скоростью не менее 0,25 м/мин (высокая скорость также уменьшает опасность образования Сu2О по границам зерен). При сварке применяется прокаленная бура или комбинированные флюсы на основе буры. Сварка по методу Бенардоса выполняется угольными или графитовыми электродами, при Iсв = (60-100)S, где S - толщина свариваемых листов, мм. Для газовой сварки применяют горелки, дающие мощное пламя с расходом 150-200 л/час ацетилена на 1 мм толщины листа. Сварка меди осуществляется с предварительным подогревом изделия до температуры приблизительно 500° С. Как правило, металл шва проковывают: у тонких листов (менее 5 мм) в холодном состоянии, а у более толстых - при температуре свыше 500-550° С. Иногда, кроме проковки, для повышения вязкости металла шва изделие (либо только шов и прилегающие зоны основного металла) нагревают до температуры 550-600° С, а затем быстро охлаждают в воде. Медь МЗС можно сваривать также и металлическими электродами со специальным покрытием. В судостроении применяют электроды с покрытием «Комсомолец» (стержень - медь Ml; покрытие FeMn-50%, FeSi - 8%, CaF2-10%; полевой шпат - 12%; жидкое стекло - 20%). Этот способ наиболее удобен в производственных условиях и повышает производительность труда, однако объем применения сварки меди металлическим электродом все еще невелик. Сварка латуней и бронз. При сварке латуней основные затруднения связаны с выгоранием цинка, так как температура плавления латуней обычно лежит в пределах 800-950° С, а цинк плавится при 419° С и кипит при 906°С. Часть цинка испаряется в виде паров металла и в воздухе окисляется, образуя ядовитые пары ZnO; некоторая часть цинка окисляется в жидком виде до образования окиси цинка ZnO и выделяется вокруг шва в виде белого налета. Затруднения при сварке оловянистых бронз связаны с выгоранием олова и образованием двуокиси олова (SnO2), а при сварке алюминиевых бронз - с образованием тугоплавких окислов алюминия (Аl2О3). Кремнистые бронзы благодаря наличию в них раскислителя - кремния - свариваются хорошо. Как латуни, так и бронзы можно сваривать газовым пламенем и дугой (угольным и металлическим электродом). Присадочная проволока или стержни электродов при сварке бронз должны иметь химический состав, близкий к химическому составу основного металла, и содержать некоторое количество раскислителей. При сварке латуней следует применять латунную проволоку с меньшим содержанием цинка, в которую дополнительно введен кремний (например, проволоку марки ЛК-80-3). Сварку латуней и бронз следует вести с подогревом (до 200-300°С), что ускоряет процесс и позволяет обеспечить скорость, превышающую 0,25 м/мин. Такая скорость также уменьшает испарение Zn и Sn и предотвращает растекание сварочной ванны. Сварка производится с применением флюса на основе буры и борной кислоты. Газовую сварку латуни производят окислительным пламенем; избыток кислорода способствует образованию окисной пленки, закрывающей сварочную ванну, что уменьшает выгорание цинка. При газовой сварке мощность горелки выбирают из условия расхода 130-140 л/час ацетилена на 1 мм толщины листа. Сварка латуни и бронзы металлическим электродом производится значительно реже. Сварку угольным электродом ведут на режимах, указанных для меди.

Сварка алюминия и его сплавов

В судостроении для изготовления сварных судовых конструкций применяют алюминий и термически неупрочняемые сплавы алюминия с магнием: АМг5В (4,8-5,2% Mg; 0,3-0,5% Мn и до 0,2% V) и АМг6 (5,8-7,0% Mg; 0,3-0,8% Мn и до 0,2% Ti). Реже применяются сплавы в термически упрочненном состоянии (Д16АТ; В53); в этом случае конструкции изготовляют путем клепки, либо только контактной сваркой, так как при дуговой сварке таких сплавов механические свойства шва и ЗТВ хуже, чем у основного металла. Из алюминиево-магниевых сплавов изготовляют мебель, выгородки, надстройки, рубки, а в последние годы и целиком мелкие суда. На некоторых пассажирских судах вес надстроек из легких сплавов достигал 400-800 т. На пассажирских судах типа «Киргизстан» (отечественной постройки) вес надстройки из легких сплавов превышает 100 т. Наиболее качественные сварные соединения алюминия и его сплавов АМг5В и АМг6 получают при контактной сварке и электродуговой сварке в среде аргона. В ряде случаев может найти применение электродуговая сварка угольным или металлическим электродом либо газовая сварка. При разработке технологии сварки алюминия и его сплавов в дополнение к сказанному необходимо учитывать следующее. Сварка алюминия затрудняется образованием тугоплавкого окисла Аl2О3 (его температура плавления 2050°С), который может засорять металл шва и резко снижать прочность соединения. Кроме того, алюминий имеет значительную усадку (7%) и малую прочность при повышении температуры более 450° С, вследствие чего расплавленный алюминий в районе шва может «проваливаться» под влиянием собственного веса. Поэтому при сварке алюминия всегда с обратной стороны шва подкладывают фиксирующую (например, стальную) планку. Из-за высокой теплопроводности алюминия сварку обычно ведут с предварительным подогревом в начале шва (100-150°С). Свариваемые кромки тщательно очищают от пленки окислов механическим способом и обезжиривают содовым раствором; качество очистки в значительной степени определяет качество сварного соединения. Если сварка алюминия или его сплавов производится угольным или металлическим электродом, либо газовой сваркой, качественное соединение можно получить только в том случае, если окислы алюминия будут разрушены. Это достигается применением флюса, состоящего из хлористых и фтористых солей щелочных и щелочно-земельных металлов. Один из флюсов имеет состав: КСl - 50%, NaCl - 15%, Na3AlF2 (криолит) -35%. Роль указанных элементов заключается в следующем. Хлористый калий разрушает Аl2О3 по реакции

Аl2О3 + 6КС1 = 2AlCl3 - 3K2О.

Летучий газ АlСl3 легко выделяется из ванны, а окисел калия соединяется с влагой, имевшейся в Аl2О3 и уходит в шлак. Криолит (Na3AlF2) растворяет окисел алюминия (Аl2О3), а поскольку удельный вес криолита меньше, чем вес алюминия, он поднимается на поверхность сварочной ванны. NaCl добавляется для снижения температуры плавления криолита. Существует большое количество рецептов флюсов для сварки алюминия, однако принципиальной разницы между ними нет. Дуговую сварку ведут на постоянном токе; при угольных электродах Iсв = (20-30) dэ, а при металлических Iсв = (40-50) dэ. Длина дуги должна быть значительной, чтобы избежать закорачивания дуги из-за прилипания крупных капель к основному металлу. На стержень электрода или присадочного прутка наносят слой покрытия толщиной 0,5-1,5 мм, состоящего из тех же компонентов, что и флюс. Газовая сварка производится мощным пламенем (расход ацетилена 75-100 л/час на 1 мм толщины) и присадочной проволокой того же состава, что и основной металл (либо с повышенным на 1,5-2% содержанием легко выгорающего магния). Флюс такой же, как и при дуговой сварке. По окончании сварки остатки флюса должны удаляться промыванием соединения горячей водой; в противном случае металл в местах загрязнения флюсом будет интенсивно коррозировать. Необходимость промывания сварных соединений является серьезным недостатком рассмотренного способа сварки, так как увеличивается трудоемкость работ. Рассмотренными способами можно качественно сваривать алюминий и его сплавы только в нижнем положении, так как применение этих способов ограничено необходимостью защиты ванны и возможностями сохранения формы и размеров ванны. Институт электросварки разработал способ автоматической сварки алюминиевых сплавов по слою флюса, но при сварке судовых конструкций он применяется еще мало, ввиду наличия ряда технологических трудностей. Контактная точечная сварка алюминия и его сплавов возможна для широкого диапазона толщин, включая сравнительно большие толщины (7+7 мм), но производится, главным образом, на специальных импульсных машинах типа МТИП-400, МТИП-600 и т. п. Контактная сварка может иметь ограниченное применение, поскольку эти машины стационарные и с небольшим вылетом, что затрудняет сварку крупногабаритных судовых конструкций. Наиболее универсальным способом сварки алюминия и его сплавов является способ аргоно-дуговой сварки неплавящимся (вольфрамовым) электродом либо плавящимся электродом (проволока того же состава, что и основной металл, но с повышенным на 1,5-2% содержанием магния для компенсации его угара). При аргоно-дуговой сварке подготовка и очистка кромок должны производиться не менее тщательно, чем при других способах сварки. В качестве защитного газа применяется только чистый аргон (примеси О2, N2 в сумме не более 0,2-0,3%) без всякого содержания влаги. Повышенное содержание кислорода и азота ухудшает формирование шва и его механические свойства; попадание влаги (водород) приводит к пористости шва. Автоматическая аргоно-дуговая сварка вольфрамовым электродом применима только для сварки в нижнем положении; полуавтоматическая аргоно-дуговая сварка плавящимся и неплавящимся электродом может выполняться в любом пространственном положении как в условиях цеха, так и на стапеле (переносные установки). Ручная аргоно-дуговая сварка неплавящимся вольфрамовым электродом ведется на переменном токе с включением в цепь конденсаторной батареи или балластных реостатов для устранения составляющей постоянного тока. Наличие составляющей постоянного тока, вызванное различием физических свойств материала электродов, ухудшает стабильность процесса сварки и уменьшает глубину проплавления. Кроме того, включается осциллятор, накладывающий на дугу ток высокой чистоты, что обеспечивает ионизацию столба дуги и устойчивость ее горения. Ручная аргоно-дуговая сварка вольфрамовым электродом может производиться во всех пространственных положениях, но является процессом, сравнительно малопроизводительным (как и всякая ручная сварка); ее применяют обычно для сварки металла толщиной до 6-10 мм. Для этого вида сварки применяют соединения, соответствующие ГОСТ 5264-60: при толщинах 1-5-2 мм - соединение с отбортовкой; при толщинах 3-10 мм - стыковое соединение без скоса кромок (сварка с двух сторон); при толщинах 11 мм и более требуется V-образная, а при толщине более 15 мм - Х-образная подготовка кромок. Режим сварки приближенно определяется следующими соотношениями. При толщине металла до 4 мм диаметр вольфрамового электрода равен толщине свариваемых листов; для листов толщиной 5-8 мм dэ = 4 + 5 мм. Сила сварочного тока Iсв= (30-40)dэ; диаметр присадочной проволоки обычно равен диаметру электрода; скорость сварки 8-15 м/час. Расход аргона 30-40 л/час на 1 пог. м шва. При толщинах металла свыше 5 мм становится целесообразным применение автоматов или полуавтоматов для аргоно-дуговой сварки плавящимся электродом. В обоих случаях сварка ведется на постоянном токе при обратной полярности электродной проволокой 1,5 - 2,5 мм. Типы автоматов и полуавтоматов, рекомендуемые для судостроения, пока еще назвать трудно, поскольку широкое применение алюминиевых сплавов и их сварки только начинается; отметим только те, которые уже могут найти применение: автомат АДПГ-500-2 и полуавтоматы ПДА-300 и ПШП-10. При сварке металла толщиной более 12 мм необходимо делать разделку кромок: V-образную или Х-образную с углом разделки 70-90° и притуплением 3-4 мм. Для уменьшения веса наплавляемого металла можно применять U-образную разделку (с криволинейным скосом кромок) с углом разделки 30°, радиусом закругления 5-7 мм и притуплением 3-4 мм. Зазор при сборке 0-1 мм. Прочность соединений алюминиевых сплавов (термически не упрочненных) при аргоно-дуговой сварке достигает 90-95% от прочности основного металла.

Сварка титана, циркония и ниобия

Титан и его сплавы, цирконий и ниобий находят применение в судовых энергетических установках нового типа. Сплавы титана начинают применять также и в корпусных конструкциях. С дальнейшим увеличением производства и снижением стоимости титан и его сплавы будут находить все большее применение в судостроении. Для всех рассматриваемых металлов характерна очень высокая химическая активность; так, при нагреве до температуры 600-800° С поверхность металлов начинает активно реагировать со всеми газами, кроме нейтральных; при температуре плавления металлы активно растворяют многие газы, включая азот, водород, пары воды, окись и двуокись углерода и т. д. , и реагируют с ними. В то же время наличие даже сравнительно небольших включений указанных газов существенно изменяет механические свойства этих металлов и, в частности, резко ухудшает пластические свойства. Таким образом, качественное сварное соединение титана, ниобия или циркония можно получить только в том случае, если ограничить содержание в шве вредных примесей (азота, кислорода, водорода, углерода), снижающих пластичность металла, и обеспечить надежную защиту сварочной ванны, металла шва и ЗТВ (всех участков металла, нагретых выше 600° С) инертными газами. В ряде случаев пригодность титана для сварки предварительно оценивают по величине расчетной твердости Нв. В том случае, если Нв менее 200 и содержание водорода не превышает 0,01%, титан обладает хорошей свариваемостью. Хорошие результаты получаются при контактной сварке титана, циркония и ниобия (особенно при толщине металла до 0,5-1 мм). Контактная сварка этих металлов производится на режимах, близких к режимам сварки нержавеющих сталей. Качественное соединение больших толщин можно получить при аргоно-дуговой сварке неплавящимся вольфрамовым электродом при условии, что в процессе сварки шов будет защищен аргоном от действия воздуха не только с поверхности, но и со стороны корня шва. Аргоно-дуговая сварка может выполняться вручную либо автоматом; подача аргона производится из горелки специального устройства, обеспечивающей защиту аргоном также и остывшего металла шва и ЗТВ, имеющих температуру выше 600°С. В некоторых случаях аргон подают на эти участки из дополнительного (сопутствующего) наконечника. Сложные и большие изделия сваривают в специальных вакуумных камерах, из которых откачан воздух и которые заполнены аргоном или гелием. Сварка ведется постоянным током при прямой полярности, что способствует более глубокому проплавлению металла и меньшему засорению металла шва вольфрамом электрода при его угаре. Обычно при толщине металла до 2 мм сварку ведут без подачи присадочного металла; при больших толщинах необходимо подавать присадку. Наиболее пластичный металл сварного соединения получается при сварке без присадки, так как в этом случае полностью исключается возможность попадания воздуха в металл шва. При сварке с подачей присадочного прутка некоторое количество кислорода и азота усваивается нагретой поверхностью этого прутка и попадает в сварочную ванну. В результате пластические свойства металла шва снижаются, так как увеличение содержания кислорода и азота на 0,01-0,02% снижает пластичность на 4-6%. Процесс автоматической и электрошлаковой сварки титана под флюсом был разработан в СССР в Институте электросварки. Используются бескислородные флюсы (АН-Т1 при обычной сварке и АН-Т2 при электрошлаковой), основными компонентами которых являются фториды (CaF2, NaF) и хлориды (КСl, NaCl). Для уменьшения опасности попадания водорода в металл шва требуется, чтобы содержание влаги во флюсе не превышало 0,05%. Сварка титана под флюсом производится на обычном оборудовании на постоянном токе (обратная полярность). Этот способ сварки становится экономически эффективным при соединении толщин свыше 6-8 мм, хотя возможна и сварка листов меньшей толщины. Обратная сторона шва защищается либо газом, либо флюсовой подушкой с флюсом АН-Т1. При сварке по этому способу прочность и пластичность сварных соединений получаются не ниже, чем у основного металла. Очень важное значение имеет разработка способа сварки титана и его сплавов больших толщин (до 50 мм) плавящимся электродом в защитной среде аргона или смеси газов. При внедрении такого способа сварки титан найдет широкое применение для постройки морских судов.

Сварочные напряжения

При применении сварки в конструкции возникают деформации и напряжения, обусловленные неравномерностью нагрева зоны шва, либо процессами перекристаллизации, происходящими в шве. Сварочные напряжения, возникающие в процессе нагрева и остающиеся после охлаждения, не связаны с какими-либо внешними силовыми воздействиями на конструкцию. Они являются внутренними и могут быть названы «собственными». Собственные напряжения появляются не только при сварке, но и при многих других процессах обработки металла (прокатке, ковке, штамповке, литье). Впервые проблема внутренних напряжений была поставлена в 1887 г. русским металлургом Н. В. Калакуцким, который отмечал, что «величина и характер внутренних напряжений находятся в прямой зависимости от условий обработки; эти напряжения могут быть видоизменены в широких пределах и техника в состоянии указать для этого вполне надежные, верные и весьма простые средства». Сварка вызывает также появление остаточных деформаций (изменение формы), которые могут быть или местными, локализующимися на ограниченном участке конструкции, или общими, приводящими к изменению габаритов и формы всего изделия. Установить внутренние напряжения осмотром конструкции невозможно. Скрытый характер этих напряжений и невозможность контроля за ними вызывали серьезные опасения. Высказывались даже мнения, что из-за больших внутренних напряжений применять сварку для крупных конструкций вообще нельзя. Однако анализ и тщательное изучение случаев разрушений сварных конструкций привели к противоположным выводам, а именно: в подавляющем большинстве случаев, в частности и в судовых конструкциях, выполняемых из пластичных материалов, наличие высоких сварочных напряжений не снижает прочности и не вызывает никаких опасений относительно работоспособности сооружений. Более серьезные последствия могут иметь остаточные изменения формы изделия при сварке. В ряде случаев это снижает работоспособность конструкции, так как, например, выпучивание листов палубы, обшивки и других перекрытий снижает их устойчивость, создает перенапряжения в отдельных узлах и может вызвать в них пластические деформации. Поэтому при правильно организованном проектировании и изготовлении сварных конструкций должны быть предусмотрены и применены такие мероприятия, которые обеспечили бы полное соответствие этих конструкций их проектным формам и размерам. При изучении напряжений и деформаций, возникающих при сварке, приходится учитывать резкое колебание температур, изменение механических характеристик и даже физических состояний металла от нагрева. Из-за этих неизбежных усложнений пока еще невозможно выразить закономерности деформирования точными математическими зависимостями. С другой стороны, для решения неотложных задач практики необходимо уже сейчас с той или иной степенью точности оценивать ожидаемые деформации и напряжения при нагреве изделия и полном его охлаждении после сварки. Поэтому были приняты некоторые упрощающие предположения, которые сделали возможной разработку методов расчета сварочных деформаций и напряжений; это позволило с достаточной для практики степенью точности определять расчетным путем деформации конструкций, состоящих из простых элементов. Принятые расчетные схемы могут служить основанием для определения деформаций и напряжений и в более сложных конструкциях. В этой области сварки оказались весьма плодотворными работы советских ученых. Исследования сварочных напряжений производил В. П. Вологдин, изложивший результаты своих работ в простой и доступной форме. Широко известны работы Н. О. Окерблома и его сотрудников в Ленинградском политехническом институте, исследования Г. А. Николаева в Московском высшем техническом училище им. Баумана, и другие. Исследования Н. Н. Рыкалина и созданная им теория распространения тепла при сварке послужили прочной основой для дальнейшего изучения проблемы напряжений и деформаций при сварке.

Классификация сварочных напряжений и деформаций

Классификация напряжений, возникающих при сварке, может быть произведена по следующим признакам. 1. В зависимости от базы уравновешивания (т. е. от объема той области металла, которую напряжения охватывают) внутренние, так называемые собственные, напряжения могут быть разделены на три категории: первого, второго и третьего рода. Если напряжения действуют и уравновешиваются в крупных объемах, соизмеримых с размерами изделия или отдельных его частей, то их принято называть напряжениями первого рода. С такими напряжениями приходится встречаться в сварных судовых и машиностроительных конструкциях из простой малоуглеродистой стали (они и являются основным объектом изучения в настоящем курсе). Направление этих напряжений обычно связывают с геометрической формой изделия или направлением шва и соответственно напряжения называют продольными, поперечными и т. д. Напряжения, действующие и уравновешивающиеся в пределах одного или нескольких кристаллов (зерен) металла, называют микроскопическими, или напряжениями второго рода. Напряжения второго рода не имеют определенной ориентировки относительно осей изделия. Напряжения, действующие между элементами (ячейками) кристаллической решетки металла, называются ультрамикроскопическими, или напряжениями третьего рода. Они также не ориентированы относительно осей изделия или шва. При практическом изучении сварки и сварных конструкций основное внимание уделяется напряжениям первого и частично второго рода, которые чаще встречаются и проявляются, а поэтому относительно лучше и полнее изучены. 2. В зависимости от периода действия сварочные напряжения разделяются на временные, которые называют также тепловыми, или температурными, и остаточные. Температурные напряжения в детали (системе) возникают при неравномерном распределении температуры по детали вследствие различия в степени расширения нагреваемых участков. После выравнивания температур различных участков системы температурные напряжения исчезают или же переходят в остаточные. Остаточными называются напряжения, сохраняющиеся в детали (системе) после окончания той или иной технологической операции. Остаточные напряжения при сварке часто называют усадочными -от слова «усадка», т. е. сокращение объема при переходе металла (имеется в виду металл шва) из жидкого в твердое состояние. Это название следует признать весьма условным и не определяющим истинную причину возникновения напряжений. Усадочными явлениями иногда именуют всю совокупность деформирования конструкций и накопления в них напряжений под влиянием процесса сварки. 3. Напряжения первого рода от сварки в зависимости от обстоятельств их возникновения можно условно разделить на сварочные и реактивные. Сварочные напряжения возникают в самом шве от воздействия одних участков шва на другие и в других частях свободной конструкции от сокращения свариваемых швов. Сварочные напряжения, возникающие в зоне одного данного шва, назовем собственными сварочными (иногда их называют также активными напряжениями). Напряжения, возникающие в различных участках конструкции, свободной от внешних связей, а также в других швах в результате сварки данного шва, называют реактивными сварочными. Кроме того, различают напряжения реактивные от внешних связей, когда конструкция сваривается при закреплении во внешнем контуре. Заметим, что в целой конструкции деление напряжении первого рода на сварочные и реактивные, строго говоря, условно. По существу, собственные сварочные напряжения, возникающие во всяком заваренном участке сварного шва, сами обусловлены противодействием холодных частей и предыдущих участков того же шва, т. е. их реакцией. Однако, рассматривая сварную конструкцию в целом, необходимо выделить отдельные виды напряжений, чтобы производить их количественную оценку и находить причины возникновения. 4. В зависимости от пространственного расположения напряжений первого рода в изделии напряженное состояние может быть: линейным (одноосным), плоским (двуосным) или объемным (трехосным). При этом делении предполагается, что компоненты напряжений, направленные соответственно по двум или трем осям, соизмеримы между собой. 5. Относительно направления шва или линии нагрева напряжения разделяются на продольные, действующие параллельно шву или линии нагрева, и поперечные, действующие перпендикулярно этим линиям. 6. Сварочные напряжения в зависимости от причин их возникновения разделяются на две группы: тепловые и структурные. Тепловые напряжения первого и второго рода возникают только вследствие расширения нагретых волокон металла. Структурные напряжения возникают в дополнение к тепловым, так как при переходе некоторых металлов (во время нагрева или охлаждения) из одного структурного состояния в другое объем кристаллов изменяется. Например, вследствие того, что мартенсит менее плотен, чем аустенит, распад аустенита у легированных сталей сопровождается расширением того участка, в котором появляется мартенсит, и образованием напряжений. Классифицировать сварочные деформации сложнее, так как как даже при сварке простейших элементов приходится иметь дело со сложной деформацией, происходящей одновременно в нескольких направлениях. Деформации могут происходить по двум причинам: 1) из-за внешнего силового воздействия, под влиянием которого элемент испытывает, например, растяжение, сжатие или другой вид напряженного состояния, приводящего к смещению одних частиц элемента относительно других; 2) из-за изменения внутреннего температурного состояния элемента (степени нагрева). При повышении температуры элемент расширяется (его в это время ничто не растягивает), а при понижении температуры сокращается. Разграничение этих понятий (растяжения, расширения, сжатия и сокращения) важно для дальнейшего изложения. Следует различать два вида деформаций по причинам возникновения и характеру проявления: 1) внутренние деформации, происходящие на отдельных участках элемента, но удовлетворяющие условию сплошности тела; 2) внешнее формоизменение, которое может быть весьма разнообразным. Внутренние деформации имеют место, например, при нагреве участка внутри жесткой конструкции. Форма конструкции от этого нагрева не изменится, но некоторые частицы внутри конструкции от расширения сместятся одни относительно других. Внешнее формоизменение наблюдается или при нагреве свободного от связей элемента, или же при приложении к нему внешних сил; при этом наружные контуры детали смещаются одни относительно других. Вид деформации (или одновременное проявление обоих видов) зависит от причины возникновения деформаций и от условий закрепления тела или его частей (элементов). Внутренние деформации можно (в первом приближении) считать связанными с возникающими напряжениями по известным уравнениям теории упругости и теории пластичности. Однако, поскольку при сварке происходит изменение механических свойств материала в очень широких пределах, то зависимость между напряжениями и внутренними деформациями оказывается значительно более сложной. Внутренние деформации по своей величине и обратимости могут быть разделены на упругие и пластические, как это вытекает из физических свойств свариваемых металлов. Формоизменение может быть выражено сокращением, изгибом кручением или угловым искажением всей конструкции или ее участков. Этот вид сварочных деформаций принято разделять на местные деформации, т. е. относящиеся к отдельно элементу или участку конструкции, и общие, относящиеся к целой конструкции на всем ее протяжении. Соответственно говорят, например, «общие деформации изгиба», «местные угловые деформации» и т. д. Внешнее формоизменение конструкции может происходить без возникновения внутренних напряжений в случае, если элементы перемещаются свободно, не встречая препятствий. В практике изготовления металлических конструкций из листового и профильного материала внешнее формоизменение принято разделять на деформации в плоскости элемента и деформации с отклонением из плоскости, которые обобщают словом «коробление». Деформации в плоскости листов могут быть разделены на продольные и поперечные укорочения и деформации изгиба, в зависимости от направления их относительно шва или линии прогрева. Деформации из плоскости проявляются в виде общего изгиба элементов или в виде «угловых деформаций», т. е. местных сломов на листах, поперечных или продольных волн и выпучин.