CC BY
4УДК 621.791.927
ПОВЫШЕНИЕ СТОЙКОСТИ МЕТАЛЛА ШВА К ВОЗНИКНОВЕНИЮ КРИСТАЛЛИЗАЦИОННЫХ ТРЕЩИН ПРИ СВАРКЕ СТ.З.сп ПОСРЕДСТВОМ ЗАМЕНЫ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА НА СМЕСЬ ГАЗОВ
Майстренко Н.Ю., студент группы 16РКК(м)ППЛА, аэрокосмический институт, Оренбургский государственный университет, Оренбург e-mail: nikola_sport@mail.ru
Научный руководитель: Проскурин В.Д., канд. техн. наук, доцент кафедры летательных аппаратов, Оренбургский государственный университет, Оренбург
Механизированная сварка плавящимся электродом в защитной газовой среде является ведущей технологией в современном машиностроительном производстве. В большинстве случаев, при сварке углеродистых сталей, в качестве защитной среды используется углекислый газ. Сварка в среде углекислого газа обладает следующими преимуществами: простота процесса, а так же низкая себестоимость защитной газовой среды, однако качество сварного соединения не всегда отличается высокими показателями. В последние десятилетия в сварочном производстве наблюдается тенденция замены углекислого газа на смесь аргона и углекислого газа. Известны многочисленные научные исследования, посвященные сравнительному анализу защитных газовых сред при сварке легированных конструкционных сталей, однако углеродистым сталям, в данном отношении, уделено значительно меньше внимания. Для выявления зависимости между защитной газовой средой и склонностью металла шва к образованию кристаллизационных напряжений был проведен ряд испытаний над сваренными образцами.
Ключевые слова: кристаллизационные трещины, склонность металла шва, поперечная усадка, критическая скорость деформации, защитная газовая смесь, углекислый газ.
СТ.З.сп - это сталь углеродистая, конструкционная, спокойная, обыкновенного качества. Она находит массовое применение ввиду низкой себестоимости. Углеродистые стали - самый распространенный конструкционный материал. Прочностные свойства углеродистых сталей увеличиваются с повышением содержания углерода, при этом их свариваемость становится хуже, так как возрастает опасность возникновения кристаллизационных напряжений в металле швов. В свою очередь, чувствительность к кристаллизационной неустойчивости повышается за счет увеличения жесткости свариваемых конструкций. Улучшение служебных характеристик металла швов имеет первостепенное значение для увеличения надежности, производительности, и долговечности установок.
При разработке новых и выборе существующих сварочных материалов и технологических процессов отдельное внимание уделяется оценке стойкости сварного шва против образования трещин при переходе металла шва из жидкого состояния в твёрдое. Возникновение кристаллизационных напряжений не во всех случаях можно охарактеризовать с позиции критической скорости деформирования металла шва [1]. В ходе литературного обзора выявлена необходимость в рассмотрении формирования кристаллизационных неустойчивостей в металле шва, как побочного эффекта повышенных значений поперечной усадки.
В статье приведены результаты исследования влияния критической скорости деформирования и поперечной усадки в температурном промежутке на склонность металла шва к образованию горячих трещин. В ходе литературного обзора было выявлено, что для
повышения прочностных характеристик сварного соединения, а так же стойкости металла шва против образования межкристаллических напряжений целесообразнее применять защитную газовую смесь (Аr+18%CO2) или смесь (Ar+22%CO2) которые характеризуются меньшей поперечной усадкой металла [2].
Для проверки литературных данных, прочностные свойства и стойкость сварного соединения против образования кристаллизационных неустойчивостей рассматривались на примере сварки стали СТ.З.сп в различных смесях Ar c CO2 проволокой 0 1,2 Св. - 08Г2С - О ГОСТ 2246 - 5 кг. Стойкость сварного шва к образованию межкристаллических напряжений в зависимости от состава смеси оценивалась по методике, согласно которой за критерий принимается максимальная критическая скорость деформирования, не способствующая дальнейшему распространению трещины при сварке [3]. Для получения сопоставимых результатов сварку выполняли при одинаковых параметрах режима представленных в таблице 1. Материал образцов - сталь СТ.З.сп. Размеры свариваемых заготовок образцов -300х150 мм. Сварочные материалы: Аргон по ГОСТ 101157-79; Углекислый газ СО2 по ГОСТ 8050-85; подготовка под сварку; пескоструйная обработка; обезжиривание нефрасом С2-80/120 ТУ 38.401-67-92.
Таблица 1 - Режимы сварки образцов из стали СТ.З.сп
№ образца Защитная среда Сварочный ток, •св. Напряжение на дуге, Исв. Скорость подачи проволоки Упп.
1 СО2 120-140 А 20 V 6,5 м/мин.
2 СО2 120-140 А 20 V 7 м/мин.
3 АГ+18%ТО2 160-180 А 20 V 9 м/мин.
4 АГ+22%ТО2 160-180 А 20 V 9 м/мин.
5 АГ+25%ТО2. 160-180 А 20 V 9 м/мин.
Замер сварочных деформаций проводился приспособлением с индикатором с точностью до 0,01 мм на длине 300 мм. В образцах перед сборкой-сваркой были предварительно просверлены отверстия 0=1,2 мм, как показано на рисунке 1.
сдарибаемые кромки
1 > ■ • >
4 ■ ■
11112)
Рисунок 1 - Схема замера сварочных деформаций
67
Замер проводился в собранном до сварки и после сварки состоянии. Полученные данные приведены в таблице 2. Расчет поперечного укорочения образцов после сварки проводился по формуле 1:
Дус. = Ll-L2, (1)
где Дус - поперечное укорочение детали, L1 - расстояние между отверстиями до сварки, L2 - расстояние между отверстиями после сварки.
Расчет поперечной усадки проводился по формуле 2 (среднеарифметическая величина):
Дус1+Дус2+Дус3 +Дус4
5 =
(2)
где 5 - поперечная усадка, Дус1, Дус2, Дус3, Дус4 - поперечное укорочение детали после сварки в заданных точках.
Таблица 2 - Сварочные деформации (поперечная усадка)
Номер образца Поперечное укорочение, Дус мм. (по Усадка на длине 300
4 точкам замера) мм, 5
№1 1; 0,5; 1,5; 2 1,25
№2 0; 0; 1; 2 0,75
№3 1; 1; 1; 1 1
№4 0,5; 1; 0,5; 0,5 0,63
№5 0; 1; 0,5; 0,5 0,63
4
Сваренные образцы были подвергнуты следующим видам контроля: рентгеноконтроль, металлография, механические испытания на прочность и угол загиба. При проведении рентгеноконтроля - дефектов не обнаружено. При проведении металлографического контроля было выявлено:
1. Величина зерна образцов не имеет значительного отличия;
2. В сварных швах дефектов в виде включений, пор, трещин, не сплавления не обнаружено;
3. При микроисследовании сварных образцов выявлена структура наплавленного металла - перлит с ферритной окантовкой по границам кристаллитов;
4. Ширина зоны термического влияния образцов: №1 - 1,0 - 3,5 мм; №2 - 1,0 - 4,0 мм; №3 - 0,5 - 3,5 мм; №4 - 1,0 - 2,0 мм; №5 - 0,5 - 3,5 мм.
Анализ полученных данных механических испытаний на прочность и угол загиба показал что наилучшие прочностные показатели бв имеют образцы сваренные при концентрации Аr+18%CO2: прочность бв = 47,0; 47,1; 47,1 кгс/мм , угол загиба а= 860, 850.
При отсутствии информации о критической скорости деформации металла шва его поперечная усадка в температурном промежутке кристаллизации может, по-видимому, количественно характеризовать склонность металла шва к возникновению межкристаллических разрушений [4]. Наиболее оптимальным с точки зрения обеспечения стойкости против образования кристаллизационных напряжений являются смеси на основе Ar, с концентрацией 20-30% CO2 [5]. При сварке в смеси оптимального состава металл шва характеризуется наиболее высокой критической скоростью деформирования, наименьшими величинами ширины температурного промежутка перехода расплавленного металла из жидкого состояния в твердое. При этом критическая скорость деформирования металла шва в 1,5 - 1,7 раза (на 11-13%) выше, чем при сварке в Ar. Повышение стойкости сварного шва против образования напряжений при добавлении С02 к Ar можно объяснить с позиции теории сульфидных кристаллизационных разрушений [6]. Отсутствие в металле шва микроскопических оксидных включений, обычно являющихся центрами выделения сульфидов, может привести к выделению серы из расплава на более позднем этапе
кристаллизации, что способствует увеличению склонности металла шва к образованию трещин. При добавлении С02 к Аг сварной шов обогащается кислородом, и образующиеся частицы способствуют более раннему выделению серы. Вследствие этого стойкость против образования трещин повышается, что согласуется с мнениями ведущих специалистов в этой области.
Вывод: для лучшего формирования шва и повышения его стойкости против образования межкристаллических напряжений при сварке стали СТ.З.сп проволокой 0 1,2 Св. - 08Г2С - О ГОСТ 2246 - 5 кг наиболее оптимальными являются смеси на основе Аг, содержащие (Аг+18%С02) или (Аг+22%С02). Замер сварочных деформаций показал, что при применении сварки в газовых защитных смесях значения поперечной усадки уменьшаются. Металл шва характеризуется высокой критической скоростью деформирования и положительными условиями образования кристаллов - меньшими значениями температурного промежутка кристаллизации и поперечной усадки в нем. При отсутствии информации о критической скорости деформирования металла шва его поперечная усадка численно характеризует склонность металла шва к образованию межкристаллических напряжений.
Литература
1. Багрянский, К.В. Способ испытания металла шва на стойкость против образования и развития кристаллизационных трещин / К.В. Багрянский, А.И. Олдаковский // Сварочное производство. - 2004. - №4. - С. 39-40.
2. Боровский, О.Б. «Парабалоид-3» - установка для комплексного исследования физических свойств расплавов / О.Б. Боровский // Гамма-метод в металлургическом эксперименте. Новосибирск: Сибирское отделение АН СССР. 1990. - С. 22.
3. Подгаецкий, В.В. Поры включения и трещины в сварных швах. - Киев: Техника, 1989. - 236 с.
4. Римский, С.Т. Влияние состава окислительной аргоновой смеси на стойкость металла шва на углеродистых сталях против образования кристаллизационных трещин / С.Т. Римский, В.Г. Свецинский // Автоматическая сварка. - 2003. - № 7. - С.48.
5. Борисенко, М.М. Свойства металла шва при сварке стали СТ.3.сп в углекислом газе / М.М. Борисенко, М.М. Петин, Н.М. Новожилов // Сварочное производство. - 2011. -№12. - С.15-17.
6. Свецинский, В.Г. Сварка сталей в защитных газовых смесях на основе аргона в промышленности Украины / В.Г. Свецинский, С.Т. Римский, В.И. Галинич, // Автоматическая сварка. - 1994. - № 4. - С. 41-44.
