Способ выбора присадочного материаладля сварки

Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ Св ЕТЕЛЬСТВУ о 841834(22) Заявлено 0404.79(21) 2747044/25-27с присоединением заявки Йо(51) М, (д,8 В 23 К 9/00 Государственный комитет СССР по делам изобретений н открытий(54) СПОСОБ ВЫБОРА ПРИСАДОЧНОГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ СВАРКИИзобретение относится к сварке а именно к способам выбора присадочного материала с.повышенной стойкостью к трещинообразованию при сварке сталей и сплавов, и может быть использовано в химической, машиностроительной и других отраслях промышленности.Одна из основных задач, возникающих при сварке аустенитных сталей и сплавов, заключается в выборе такого сочетания основного и сварочных материалов, котороеобеспечивает получение бездефектного металла шва, удовлетворякщего 15по своим свойствам требованиям, предъявляемым к нему условиям эксплуа/, / . , . гтации кбнструкции.Наиболее правильно указанная задача решалась бы путем получения 20 гомогенного по химическому составу сварного соединения, т.е. обеспечения в металле шва композиции сва, риваемого металла,Однако во многих случаях это 25 решение неосуществимо и связано с тем, что для подавляющего большинства аустенитных сталей и сплавов воспроизведение композиции основногоматериала в металле шва ведет к обра зованию горячих трещин в процессе кристаллизации при сварке. Поэтому при подборе присадочных материалов для сварки аустенитных сталей и сплавов часто вынуждены ориентироваться на получение шва, по химическому составу значительно отличающегося от основного металла.Известен способ выбора присадочной проволоки для сварки, заключающийся в том, что металл до изготовления из него сварочной проволоки непосредственно после его выплавки отливают в кокиле в виде ч-образной решетки и, по наличию трещин на стержнях решетки после их остывания судят о пригодности металла для изготовления сварочной проволоки Г 1),.Недостатком этого способа является отсутствие при оценке учета влияния химического состава основного (свариваемого) металла.Известен также способ выбора присадочного материала путем испытания наплавленного металла шва постоянного состава на составных клавишных образцах из исследуемого основного материала. В процессе сварки образцы последовательно деформируют с различной скоростью поперек. направлениясварки и в качестве критерия сопротивляемости металла шва образованию горячих трещин принимают наименьшую (критическую) скорость деформации, при которой в металле шва зарождается горячая трещина Г 25Недостатком этого способа является его трудоемкость, так как для определения оптимального состава металла шва требуется изготовление целогс ряда проволок с различным соста. вом с последующим их испытанием по указанной методике, Кроме того не обеспечивается достаточная точность, выбора присадочного материала.Цель изобретения - повышение точности определения химического состава присадочного материала, обеспечивающего получение сварных швов, не склонных к образованию горячих трещин.Поставленная цель достигается тем, что растяжение проводят со ско ростью, при которой в сварном шве об-: разуется трещина, и деформируют его до тех пор, пока эта трещина не исчезнет, при этом используют присадочный материал переменного сечения с 25 наперед заданным законом изменения его химического состава и эа оптимальный принимают тот состав, при кбторбм йсчезает трещина.На фиг.1 гредставлена схема распределения скоростей деформации по длине клавишного образца и на от-дельных клавишах, на фиг.2 - один из возможных вариантов клавишного образца, общий вид, на Фиг.З и 4 возможные варианты расположения присадочного материала на стыке клавиш с пластиной, на Фиг.5 - возможное техническое решение клавишного образца, на фиг.б - устройство для испытания клавишного образца, на Фиг,7 - 40 то же, разрез на Фиг.8 - закон распределения легирующих элементов по длине шва, на Фиг.9 и 10 - результаты испытаний образцов по предлагаемоМу способу. 45На фигурах обозначена цельная неподвижчая пластина 1 из основного металла с длиной 1.,шириной В и толщи- ной Н, подвижная пластина (клавиша) 2 иэ основного металла, способная деформироваться (растягиваться) со скоростью Ч, с длиной Ьшириной ВЗ и толщиной Н, клавиша 3 из основного металла с участком присадочного матерйала; стык 4 между пластиной 1 и клавишами 2 и 3, исследуемый присадофцй материал 5 переменного сечений с длиной 1, начальной шириной Ь, конечной шириной Ь и постоянней толщиной Ь ; сварной шов б шириной Ь,глубиной прбплавления Ьи длиной Щ сварочной ванны , выводйые пластины 7, зажимы 8 и 9 для крепления соответственйо неподвижной пластины 1 и подвижных клавиш 2 и 3, рычаг 10 свободно поворачивающийся на жестко у закрепленной оси 11; подпятник 12с роликом 13, закрепляемые на рычаге10, клин 14, установленный в ползуне15, движущемся по винту 16 в направляющей 17, сворочная горелка 18, закрепленная с помощью консоли 19 наползуне 15 и перемещаемая по винту16 со скоростью, равной скорости перемещения клина 14, т.е.(к наи мни,определяющая скорость деформации Мдклавиш 2 и 3, возвратная пружина 20.Размеры присадочного материала 5назначают такими, чтобы при совместном расплавлении присадочного материала и основного металла сварочной дугой обеспечивалось непрерывноеизменение содержания заданных легирующих элементов согласно установленного ранее закона изменения химического состава металла шва б, приэтому,1 мм для обеспечения удобства изготовЛения узкой части присадбчного материала,6440,9 Ь для обеспечения максимального изменения долей участия основного и прнсадочногоматериала и полного их сплав-.ления. Присадочный материал 5 изготавливают из листа, поковки, литьяи другого сортамента металла. Использование литья для получения заготовок присадочного материала 5практически не ограничивает количественное содержание в нем необходимых легирующих элементов, таккак для его изготовления из.литьядостаточно только механической обработки, а операции ковки и прокаткиисключаются. Длина клавиш 1 должнаобеспечить получение и испытание накаждой клавише определенного диапазона состава металла шва и определяется размером сварочной ванныКоличество клавиш выбираютв зависимости от длины присадочногоматериала 5. Длину Е пластины 1выбирают с учетом длины присадочного материала 5 и длины 0 крайнихклавиш 2 из основного металла, Дляобеспечеиия стабиЛьной границы проплавления Ь ) 1, 2 Ь. Размеры В, и Ви общая ширина В образца должныобеспечить возможность размещениязажимов 8 и 9 на пластине 1 и клавишах 2, 3 и выполнение сварки шва б.Толщина Н образца зависит в основном от глубины проплавления Ь и мо2.жет быть назначена из отношения Н3 1,5 Ь Размеры выводных пластиндолжны обеспечить необходимые условияначала и окончания сварки шва б . Все размеры образца выбирают и уточняют с учетом технических характеристик испытательной установки. Скорость деформации(растяжения) Ч клавиш 2 и З,которую сообщают им путем передачи усилия с клина14 через ролики 13 и рычагй 10,рассчитывают с учетом размеров испытательногоустройства (Фиг. б и 7 ) по известным Формулам,Предлагаемый способ осуществляют следукшим образом.Выбирают основной материал, и интересующий диапазон изменения содержания в нем легирующих элементов. Назйачают толщину Н основного металла и на цельной пластине выбранной толщины устанавливают режим. сварки, определяют размеры сварочной ванны и закон изменения , содержания в сварном шве легирующих компонентов на этом режиме, Затем с учетом технических характеристик испытательной установки устройства выбирают основные размеры образца для испытаний: размеры 1, Ь, Ь. иисследуемого присадочного материа ла 5 в соответствии с выбрайййм"законом изменения состава шва, размеры 1 и В клавиш 2 и 3 и общее колиЪчество клавиш, общие размерыи В образца, ширину В цельной плаСтины 20 1, размеры выводных пластин 7.После выбора размеров образца производят изготовление отдельных его частей: пластины 1, клавиш 2 и 3, присадочного материала 5 и выводных пластин 7, Количество изготавливаемых частей устанавливают в зависимостиот количества комплектов образцов, отделяемых программой испытаний, при этом необходимо предусмотреть комплекты образцов для определения критической скорости деФормации (чар ) основного металла без присадочного,материала. В случае углубления присадочного материала 5/ в основной металл (фиг.3) в собран,ном комплекте образцов на стыке пластины 1 с клавишами 3 изготавливают по форме присадочного материа-. ла 5 канавку постоянной глубины,равной толщине Ь присадочного мате риала (фиг.2 и 3) .Готовые комплекты образцов испытывают в установке, устройство которой схематично показано на фиг.б и 7. Вначале испытывают комплекты образцов для определения Ч 1,р основного металла. Для этого в испытательное устройство последовательно устанавливают пластину 1 и клавишу 2 образца инадежно закрепляют о их зажимами 8 к неподвижной плите и зажимами 9 к подвижным рычагам ТО. Подпятники 12 с роликами 13 заменяют подпятниками с разнокалиберными клиньями 14, а вместо клина 14 в ползуне 15 устанавливают ролик 13. При обкатке клиньев роликом в процессесварки образца по заданному режимуна каждой клавише получают различную скорость деформации Ч , чтозначительно ускоряет определение Ч 60для основного металла в условияханалогичных испытанию образцов с присадочным материалом. После нахожденияЧ 1 р для основного металла, прикоторой в металле шва зарождается 65 горячая трещина, производят испытание образцов. с присадочным материалом, Для испытаний используют образцы, подвижная деформируемая часть которых выполнена в виде клавиш. Клавишное исполнение образца обеспечивает деформирование сварного шва б в одинаковых условиях на всей длине образца (фиг.2) . Саатавляющие образец (пластина 1 и клавйши 2 и 3) ус-, танавливают и крепят также, как и при испытании основного металла, без присадочного материала. Соприкосновение клавиш между собой и в стыке 4 . с пластиной 1 осуществляют без видимого зазора. В стыке между клавийами3 и пластиной 1 укладывают присадоч" ный материал 5. При установке и креплении образца необходимо предусмотреть с каждой стороны присадочного материала 5 не менее одной клавиши2 из основного металла без присадочного материала. Подпятники 12 с роликами 13 и клин 14 устанавливают на свои места (фиг.б и 7). Клин 14 выбирают таким, чтобы при обкатке им роликов 13 обеспечивалась постояннаяскорость деформации ЧВ клавиш 2 и3 (фиг.1), которая по крайней мере на 2-3 превышала бы Ч для основного металла. Увеличение скорости де- ФормацииЗВ по сравнению с Ч необходимб для получения стабильного об-. разования и развития трещины в процессе сварки и деформации образца, так как едва зарождающаяся при Чкр трещина из-за наличия микроскопической неоднородности распределениялегирувщих компонентов в металлешва и возможного колебания режимасварки может завязнуть или исчезнутьсовсем. Однако увеличение Ч не должно быть слишком значительным, чтобыне исказить результаты испытаний.Сварку шва б на заданном режименачинают на выводной пластине 7 нарасстоянии 1 от края образца. Длину1=30-50 мм выбирают иэ расчета установления стабильного процесса сварки. Деформирование (растяжение) клавиши 2 начинают в момент пересечения оси электрода горелки 18 края клавиши (фиг.б) . В это время клин 14 своим коротким торцом входит всоприкосновение с роликом 13. Растяжение клавиши 2 в процессе сваркисо скоростью Чо ) Ч 1,р вызываетобразование горячей трещины в металлешва, которая при последующем непрерывном деформировании распространяется в металл шва с присадочным материалом. Деформирование следующей клавиши 3 начинают после окончаниядеформирования клавиши 2 в моментвыхода длинного торца клина 14. из соприкосновения с роликом 13 соседнейклавиши при том же-распблбженииоси электрода по краю клавиши 3. Втакой последовательности производятдеформирование всех имеющихся клавиш образца в процессе сварки шва б. Заканчивают сварку шва Ь после окончания деформирования последней клавиши 2 образца также на выводной пластине на расстоянии 1 з от края образца, Наличие крайней клавиши 2 на конце образца необходимо для более четкого Фиксирования участка 1шва, свободного от трещины. После окончания процесса деформирования проводят контроль сварного шва б , на наличие в нем трещины (вйзуально с помойью микроскопа, ультразвуком и др. способами). В качестве присадочного принимают тот химичес-, кий состав (количественное содержание исследуемых легирующнх компонентов),при котором развитие трещины в сварном шве прекращается. Горячие трещины в сварном шве являются результатом хрупкого межкристаллического разрушения металла шва, находящегося в процессе кристаллизации в твердо-жидком состоянии (в температурном интервале хрупкости - ТИХ). Сопротивляемость металла шва образованию горячих трещин определяется величиной пластичности межкристаллических прослоек в ТИХ и темлом нарастания деформации в процессе остывания. Пластичность межкристаллических прослоек зависит" от их химического состава и от соотношения жидкой и твердой Фаз в них. Таким образом, если в момент остывания шва его состав не будет обеспечивать необходимую пластичность межкристаллических прослоек при максимальном нарастании деформаций, то горячие трещины в ТИХ непременно образуются. При повышенной пластичности межкристаллических прослоек в условиях измененного химического состава шва и при неизменных температурно-деформационных Факторах горячие трещины в ТИХ не образуются. Поэтому в предлагаемом способе при наличии заданн."го закона изменения состава шва и постоянного температурнодеформационного фактора образовавшаяся в начальный момент испытания горячая трещина распространя-. ется в присадочный материал до техпор,пока изменяющийся химический состав шва не обеспечит необходймую пластичность межкристалличвских прослоек. В случае необходимости опре 4 рЮения запаса технологической прочности на интересующих участках образца путем подбора соответствующих клиньев определяют критические скорости деформации для этих участков (Фиг.9 и 10), Для более тщательного исследования стойкости к образованию горячих трещин в металле шва определенного состава могут быть использованы образцы со ступенчатым 841834расположением присадочного материала (фиг.5) .П р и м е р. В качестве основного металла выбирают стальмарки12 Х 18 Н 10 Т и задаются целью выбратьоптимальный состав присадочногоматериала с повышенной стойкостью кобразованию горячих трещин при комплексном легировании металла швахромом от 18 до 32, никелем от 10до 34 и молибденом от 0 до 10.На цельной пластине из основногометалла толщиной 14 мм и размером125 ХЗОО мм режим автоматической проволоки аргоно-дуговой сварки вольфра.мовым электродом без присадочной про-15 волоки выбирают следующим: сварочныйток 340 А, напряжение дуги 17 В,скорость сварки 2,85 м/ч. Размерысварочной ванны: Ь=24 мм Ь =5 5 мм=1 9 мм. Закон изменения концентра 20 ций хрома, никеля и молибдена длявыбранного режима задают таким, какпоказано на фиг.8. С учетом технических характеристик испытательнойустановки определяют основные размеры образца для испытаний. Разме- ры присадочного материала и его состав в соответствии с заданным законом изменения состава и режимомсварки назначают следующим:1 =200 ммЬ 7 мм,Ь =18 мм, Ь, =3,5 мм, дляизготовления присадочного материалаиспользуют бинарный сплав типаХ 50 Н 50 в виде листа толщиной, 4 мм.Для дополнительного легирования метал 35ла шва молибденом на изготовленнуюпо вышеуказанным размерам пластинуприсадочного материала укладываютмолибденовую полоску переменного сечения толщиной 0,7 мм и закрепляютс помощью прихваток. Размеры клавиш40 2 и 3: 1=30 мм,В=50 мм. Общее количество клавиш восемь,из них шестьклавиш 3 содержат присадочный материал, а две клавиши 2 по краямпрйсадочного материала 5 толькоиэ основного металла. Общие размерыобразца: =240 мм, В=125 мм,ширина пластины 1 8=:75 мм. Выводные пластины из основного металла выбираютквадратной формы размером 50 х 50 х 14 мм.Согласно программе испытаний изготовлено 20 комплектов образцов с учетом выявленияЧкр для основного металла, критического состава металлашва, тормозящего развитие трещини определения на различных участ 55 ках образца с присадочным материалом, Присадочный материал 5 располагается в образце с углублением восновной металл (Фиг.З) . С этой целью в собранных комплектах образ 0 цов на стыке 4 клавиш 3 с пласти-,ной 1 изготавливают канавку по форме присадочного металла 5 глубиной 3,5 мм (фиг.2 и 3),Испытание изготовленных комплек тов образцов производят на установ-,841834 10 Формула изобретения длина образца г.2 а ки сдарки 3 ке, устройство которой схематично дОВФвано на фиг,б и 7.Результаты испытаний образцов (фиг.9 и 10) показывают, что предлагаемый способ позволяет значительно ускорить поиск оптимального состава присадочного материала с повышенной стойкостью к образованию горячих трещин и повысить точность такого поиска. При легировании металла шва только хромом и никелем трещина проходит почти через всю длину образца и исчезает только при максимальном содержании хрома 32,7 и никеля 34,3 (фиг.8 и 9) . При дополнительном легировании при- садочного материала молибденом трещина в металле шва исчезает уже на расстоянии 110 мм от начала образца, (фиг.10), при этом оптимальный состав присадочного материала содержит 26 хрома, 23 никеля, 5,5 молибдена и остальное железо (фиг.8 и10) .Предлагаемый способ по сравнению с известным позволяет повысить точность определения оптимального состава присадочного материала с повышенной стойкостью к образованию горячих трещин и снизить при этом расход металла./ Способ выбора присадочного метариала для,сварки, включающий испытание клавишного образца иэ основногометалла с расплавлением исследуемогоприсадочного металла и растяжениемсварного шва, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения точности определения химического состава присадочного метарйала, растяже- ние проводят со скоростью, при которой в сварном шве образуется трещина и деформируют его.до тех пор,пока эта трещина не исчезнет, приэтом используют присадочный материалпеременного сечения с наперед заданным законом изменения его химического состава, и за оптимальный принимают тот состав, при котором исчезает трещина.20 Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССРР 183997, кл. О 01 М 33/20, 19 б 5.252. Шоршоров М.Х. Испытания металлов на свариваемость. М., "Металлургия", 1972, с.119-121 (прототип) ./11ВНИИПИ Государстпо делам изобре113035, Москва,Тираж 1148 енного комитета ССС тений и открытий -35, Раушская наб.,П "Патент", г.ужгород, ул.Проектная,4