Зона термического влияния сварного шва, её свойства

Говоря о свойствах зоны термического влияния сварного шва, имеются в виду не только её механические свойства, но и физические, химические, термостойкость и некоторые другие характеристики. Зона термического влияния - это неотъемлемая часть сварной конструкции и её свойства будут определять общую несущую способность этой конструкции.

Конечно, из всех существующих показателей необходимо рассматривать только те, которые необходимы в процессе эксплуатации. К примеру, нет необходимости обеспечивать высокую жаростойкость и жаропрочность в этой зоне, если в процессе эксплуатации сварное соединение не подвержено температурным воздействиям.

Однако есть некоторые значимые свойства, которые необходимо обеспечивать почти в любом случае. К таким свойствам относится стойкость зоны термического влияния к хрупкому разрушению. Хрупкое разрушение - это развитие дефектов сварного шва (чаще всего трещин) с высокой скоростью. Хрупкое разрушение может начаться от уже имеющихся трещин и других дефектов, например, непроваров или шлаковых включений.

Наличие дефектов можно выявить при дефектоскопии и предугадать развитие хрупкого излома. Но структурное охрупчивание зоны определить сложнее. Для этого можно провести испытания на ударную вязкость или определение критического раскрытия трещины.

Ещё одним необходимым свойством для зоны термического влияния является сопротивление усталости. Но, как правило, отдельно эту зону испытать очень трудно и испытаниям подвергают всё сварное соединение.

Прочностные свойства зоны термического влияния

Как уже говорилось, отдельно испытать зону термического влияния на прочность затруднительно ввиду её малой ширины. Косвенную оценку прочностным свойствам можно дать, если измерить твёрдость зоны.

В зависимость от вида сварки от её условий, или от свариваемого металла, твёрдость зоны может превышать значение 700 HV. При сварке низколегированных сталей, или нелегированных, значение наибольшей возможной твёрдости в зоне термического влияния можно определить по формуле:

HVmax=90+1050C+47Si+75Mn+30Ni+31Cr, %

Для конструкционных сталей значение наибольшей допустимой твёрдости определяют косвенно, испытывая сталь на склонность к образованию холодных трещин при сварке и определяя значение ударной вязкости.

В сплошных сварных соединениях с удовлетворительными показателями ударной вязкости, наибольшие величины твёрдости составляют 340-350 HV. В случаях неудовлетворительного значения ударной вязкости, следует поменять режимы сварки или ввести последующую термообработку сварного соединения.

Наибольшее возможное значение твёрдости в зоне термического влияния (да и, вообще, в металле), зависит, в основном, от содержания углерода в составе стали. Углерод сильно влияет на свариваемость стали. Давая оценку свариваемости сталей, можно утверждать, что стали с низким содержанием углерода (менее 0,20%), свариваются без ограничений. А стали с повышенным содержание углерода (более 0,25%), уже необходимо сваривать с предварительным подогревом, последующей термообработкой (отпуском или отжигом) и контролем погонной энергии сварки.

Ударная вязкость в зоне термического влияния

В отличии от прочности, ударную вязкость зоны термического влияния определить возможно. Чаще всего испытания проводят типовой пробой, в соответствии с рекомендациями международного института сварки (МИС).

Для испытания необходимы образцы с острыми надрезами. Вершины надрезов находятся в околошовной зоне, на расстоянии 0,5-1,5 мм от линии сплавления. Для проведения испытания подбирают пластины с разной толщиной, при этом, свариваемые кромки должны иметь вид 1/2V или К, в этом случае, зона термического влияния получается более ровная.

Сварку выполняют ручной дуговой сваркой, выбирая любой способ сварки данного типа. Необходимо, также, обеспечить перпендикулярность линий проката листов к сварному шву. Применяют предварительный подогрев до температуры 125±15°C и последний наплавленный слой выполняют со стороны корня надреза.

При испытании листов с толщиной 10-12 мм, образцы вырезают по всей глубине сварного шва. При сварке листов большей толщины - на глубине, равной половине толщины сварного шва. Образцы вырезают по схемам, указанным на рисунке:

Режимы сварки необходимо выбирать одинаковые для всего сварного шва. Кроме того, процесс сварки должен обеспечивать минимальное, но постоянное проплавление кромок свариваемого металла.

Необходимую погонную энергию сварки можно определить по формуле:

Q=KUI/(1000V), кДж/см

Где U - напряжение на дуге, В;
I - сила сварочного тока, А;
V - скорость сварки, см/с;
К - КПД процесса сварки металла. К берётся в пределах 90-98% в случае сварки под флюсом, и 66-85% в случае ручной дуговой сварки или сварки в защитных газах плавящимся электродом. Если применяется сварка неплавящимся электродом в защитных газах, то КПД принимают равным 20-50%.

С помощью такой методики можно найти ударную вязкость в любом месте зоны термического влияния, обычно её величина в этой зоне пониженная. Понижение ударной вязкости - вопрос достаточно серьёзный. И в этом направлении проводились исследования по изучению влияния химического состава и технологии сварки на величину ударной вязкость сварного соединения.

В том случае, если в структуре зоны термического влияния преобладают феррит и бейнит, то температура перехода в хрупкое состояние определяется по формуле:

Т=5,4DIB-27(%Ni)+9, °C,

где DIB - показатель упрочнения.

Если же в зоне преобладает переходная структура, то эта температура рассчитывается по формуле:

Т=-2,2DIB-25(%Ni)+22, °C

При исследованиях низколегированных сталей со следующим содержанием легирующих элементов (в %): углерода 0,06-0,22; меди не более 0,3; марганца 0,55-2,3; никеля не более 2,5; кремния 0,2-0,4; хрома не более 1,0; фосфора не более 0,025; молибдена не более 0,1; кремния не более 0,25; ванадия не более 0,1 была определена склонность стали к охрупчиванию околошовной зоны. Склонность к охрупчиванию выражается показателями РВА и РВВ.

Показатель РВА вычисляется в случае, если зона термического влияния имеет переходную структуру:

РВА=(%С) - 1/6(%Cu) - 1/11(%Mo)+4(%S)

Показатель РВВ определяется, если зона термического влияния имеет структуру верхнего бейнита и феррита:

Рвв=(%С)+1/10(%Mn)+1/6(%Cu)+1/12(%Cr)+1/13(%Mo) - 1/50(%Ni)

Дополнительные материалы по теме: