Влияние газовой защиты на стойкость высоколегированного металла шва против образования кристаллизационных трещин

1Одним из факторов определяющих пригодность технологического процесса сварки при изготовлении металлоконструкций из высокопрочных сталей с применением высоколегированных сварочных материалов, является обеспечение надежной стойкости металла шва против образования кристаллизационных (горячих) трещин. Возникновение трещин во многом определяется величиной температурного интервала кристаллизации (ТИК) и линейной усадки металла шва. Влиять на ТИК, а следовательно на стойкость металла шва против образования горячих трещин возможно за счет изменений химического состава металла шва. При этом необходимо обеспечить получение двухфазного металла шва более стойкого против образования горячих трещин, чем однофазный металл шва. Применение способа сварки плавящимся электродом в среде активных газов и их смесях на основе аргона позволяет влиять на изменение ферритной фазы металла шва, через изменение химического состава, тем самым предопределять его фазный состав.

Используемые в исследованиях состав защитных газов, режимы сварки, состав сварочной проволоки указаны в таблице. Принятые условия эксперимента обеспечили получение шва с долей основного металла γ=40 – 60% и коэффициент формы шва ψ = 4,20 – 1,85. Эти условия способствовали значительному изменению химического состава металла шва (см. таблицу). Основной металл – сталь 20ХГСНА, Такое изменение химического состава металла шва может оказать влияние на температурный интервал кристаллизации и следовательно на критическую скорость деформации (Vкр. мм/мин), а значит на склонность металла шва к образованию горячих трещин. С учетом особенностей процесса кристаллизации сварочной ванны и условий ее охлаждения были выполнены экспериментальные исследования высоколегированного металла шва в зависимости от режима сварки и рода защитного газа с использованием методики МВТУ им. Баумана. Учитывая, что принятые условия эксперимента не обеспечивают постоянного термического цикла сварки (ТЦС), за показатель склонности шва к образованию горячих трещин приняты значения (Vкр./ω), полученные на каждом режиме при сварке в различных защитных газах. На рисунке 1 даны изменения показателя Vкр./ω в зависимости от режима сварки и рода защитного газа. Анализ данных (см. рис. 1) показывает, что интенсивность процесса сварки способствует повышению склонности шва к горячим трещинам, так как имеет место повышение доли основного металла в шве за счет некоторого увеличения мощности дуги, хотя скорость сварки при этом пропорционально увеличена. Это снижение проявляется в уменьшении показателя Vкр./ω.

Повышение стойкости металла шва против образования горячих трещин при сварке в аргонокислородной смеси (по сравнению с другими газами) достигается в основном за счет снижения в шве углерода. Добавка 20% кислорода в СО2 значительно повышает склонность к горячим трещинам высоколегированного металла шва, по отношению к сварке только в чистом СО2. Повышение склонности металла шва к горячим трещинам при сварке в смеси СО2 + 20%О2 связано с изменением его фазового состава (рис. 2) за счет интенсивного окисления ферритообразующих элементов (см. таблицу).

Результаты количественной оценки склонности металла шва к образованию горячих трещин сварных соединений показывают, что вероятность их появления выполненных в диапазоне Iсв = 250 – 400А, сваренных проволокой Св-08Х20Н9Г7Т в СО2 и СО2 + 20%О2 смеси на повышенных режимах велика. Для подтверждения данного положения были выполнены дополнительные исследования с использованием технологической пробы ЦНИИТС. Сваривали встык образцы размером 800х1800х8 (13, 20) мм на режимах в диапазоне Iсв = 250 – 400А. Из сваренных соединений после их остывания вырезали образцы для изготовления продольных и поперечных шлифов шва. После выдержки в азотной кислоте в течение 24 часов шлифы осматривали при 60 кратном увеличении. Трещины обнаружены в высоколегированном металле шва, сварка которых выполнялась в смеси СО2 + 20%О2 на токах свыше 300А. Следовательно недопустимо применять в качестве защитного газа смеси СО2 + 20%О2 при сварке с использованием высоколегированной проволоки ввиду повышенной склонности металла шва к горячим трещинам.

Содержание химических элементов в высоколегированном металле шва, %

Сварочные материалы Режимы сварки C Si Mn Cr Ni Ti S P
Iсв, А Vд, В Vсв, м/ч
Св08Х20Н9Г7Т 0,10 0,70 6,12 19,1 9,91 0,60 0,016 0,021
СО2 250-260 25-27 15 0,13 0,55 3,84 12,0 5,88 0,49 0,009 0,018
350-360 33-34 24 0,13 0,62 3,02 9,61 4,84 0,27 0,010 0,020
400-420 38-39 29 0,14 0,68 2,75 8,89 4,40 0,24 0,009 0,019
СО2 + 20%О2 250-260 25-27 15 0,14 0,56 3,85 12,0 5,79 0,37 0,007 0,019
350-360 33-34 24 0,15 0,60 2,90 9,20 4,58 0,33 0,008 0,012
400-420 38-39 29 0,15 0,67 2,71 8,56 4,36 0,31 0,008 0,013
Ar + 5%О2 250-260 25-27 15 0,10 0,65 4,69 13,3 6,52 0,60 0,010 0,017
350-360 33-34 24 0,11 0,72 3,84 12,0 5,77 0,56 0,009 0,019
400-420 38-39 29 0,12 0,76 3,40 10,4 5,06 0,46 0,012 0,018
(Vкр / ω) х 10-2 мм/°С

Рис. 1 Зависимость склонности металла шва к горячим трещинам от режима сварки и рода защитного газа
δ — феррит
 

Рис. 2 Зависимость содержания δ-феррита в наплавленном металле от состава защитного газа и режима сварки