12.02.2018

Испытание на свариваемость по методике Varestraint


Испытание “переменное ограничение податливости” (Variable Restraint or Varestraint) было разработано авторами работы в 1960 г. Rensselaer Polytechnic Institute, RPI. Это испытание было разработано как простое дополнительное испытание деформационного типа, которое выделило бы металлургические факторы, вызывающие горячие трещины. После его представления были сделаны многочисленные модификации к оригинальным испытаниям, и в настоящее время в мире используется большое количество модификаций этого испытания. Данное испытание само по себе никогда не было стандартизовано и в настоящее время используется широкое разнообразие техники его выполнения. В 1990 г. авторы работы в университете штата Огайо разработали методику испытаний, позволяющую с помощью методики Varestraint определить область, склонную к растрескиванию (CSR).
Согласно рис. 10.1, существует три основных типа указанных испытаний. Исходным испытанием является изгиб сварного шва вдоль его длины. При таком испытании трещины возникают как в литой зоне шва, так и в ЗТВ. Так как в некоторых случаях желательно разделить ликвационные трешины в ЗТВ и кристаллизационные в металле шва, были разработаны поперечные и точечные испытания по этой методике. При поперечных испытаниях деформации изгиба сосредотачиваются в сварном шве, что и концентрирует трешины в литой зоне. Незначительные или нулевые деформации имеют место в ЗТВ. При испытании по методике Varestraint точечного типа используется небольшой точечный шов для создания микроструктуры ЗТВ, склонной к растрескиванию. В данном случае образец сварного шва, находящегося в жидком состоянии, подвергают изгибу, чтобы сконцентрировать образование трещин в ЗТВ.

Для вышеуказанных испытаний наиболее часто используют дуговую сварку вольфрамовым электродом в защитном газе, однако можно применять и другие способы сварки плавлением. Обычно сварные швы выполняют дуговой сваркой без присадки, однако при использовании специальных образцов можно подвергать испытанию наплавки с применением присадочного металла. Изгиб обычно осуществляют весьма быстро, но были разработаны модификации испытаний с медленным изгибом. Возникшая деформация контролируется с использованием сменных пуансонов, а деформация наружных волокон образцов задается формулой
где t — толщина образца; R — радиус пуансона.

Был предложен ряд способов измерений для возможности количественной оценки склонности к образованию трещин при испытаниях по методике Varestraint. Большинство из них предполагает измерение длины трещины на поверхности испытанного образца с использованием микроскопов с небольшим увеличением (20—50-кратное). Введены следующие параметры: общая длина трещин — сумма длин всех трещин; максимальная длина трещины — длина наиболее длинной трещины, наблюдаемой на поверхности образца. Недавно для более точного определения температурного диапазона растрескивания была применена концепция максимального расстояния трещин (MCD). Деформация инициирования трещины также была использована для количественной оценки склонности к образованию трещин. Насыщенная деформация представляет собой уровень деформации, выше которого величина MCD не меняется. Испытание на насыщенной деформации важно проводить при определении максимальной ширины области склонности к трещинам, как отмечено далее.

Методика создания количественных критериев образования кристаллизационного растрескивания при сварке

В настоящей части монографии описана методика, разработанная авторами работы, для количественной оценки образования кристаллизационного растрескивания при сварке на основе испытания по методу Transvarestraint. Схема испытаний приведена на рис. 10.2. Выше критического уровня деформации, называемого насыщенной деформацией, значение MCD не увеличивается с ростом самой деформации. Это показывает, что кристаллизационная трещина распространилась на полную длину области склонности к трещинам. “Репрезентативное” растрескивание, как оно выглядит в хвостовой части сварочной ванны, показано на рис. 10.3 для образцов стали марки 310, испытанных при величине деформации, равной 5 %. На основании испытаний в диапазоне увеличенной деформации можно построить график зависимости значений MCD от деформации (рис. 10.4). При этом могут быть выявлены деформация инициирования трещины и насыщенная деформация, выше которой значение MCD не увеличивается. Типичным диапазоном деформации, в котором испытаны образцы, является диапазон, равный от 0 до 7 %.
Большинство нержавеющих сталей показывает уровень деформации насыщения в диапазоне от 5 до 7 %. Уровень деформации инициирования трешин находится в диапазоне от 0,5 до 2,0 % в зависимости от состава сплава и его поведения при кристаллизации. Хотя деформация инициирования трещин может быть фактически важным критерием склонности к образованию трещин при сварке, значение MCD выше деформации насыщения определить значительно легче и таким образом обеспечить интервал температур образования кристаллизационных трещин (SCTR). Для нахождения последней величины определяют скорость охлаждения в температурном интервале кристаллизации путем помещения термопары в сварочную ванну. Время, за пределами которого образуется трещина, аппроксимируется отношением значения MCD выше деформации насыщения к скорости кристаллизации. В данном случае величина SCTR может быть рассчитана по формуле
где К — скорость сварки.

Концепция определения значения SCTR с использованием данного подхода показана на рис. 10.5. Используя температуру, а не длину трещины как меру склонности к образованию трещин, можно устранить влияние параметров режима сварки (погонной энергии, скорости сварки и т. п.). Тогда величина SCTR представляет собой меру склонности к образованию кристаллизационных трещин при сварке, значимую и зависящую от металлургических свойств материала.

Величина SCTR для ряда аустенитных и дуплексных нержавеющих сталей приведена в табл. 10.1. Стали, кристаллизующиеся в первичный феррит (дуплексные нержавеющие марок 2205 и 2507, а также 304 и 316L), имеют низкую величину SCTR, обычно менее 50 °С.
Стали, кристаллизующиеся с образованием аустенита, имеют величину SCTR более 100 °С. Сталь А-286, известная склонностью к кристаллизационным и ликвационным трещинам, имеет очень большую величину SCTR. Данные по величине SCTR позволяют непосредственно сравнивать склонность к образованию трещин. Они также позволяют выбирать стали исходя из ограничения податливости. Например, при низкой податливости соединения для предотвращения растрескивания может потребоваться величина SCTR менее 50 °С, в то время как при высокой податливости 150 °C может быть достаточно.
Недавно автор работы использовал статистический подход для оценки переменных, связанных с поперечными испытаниями по методике Varestraint. Это исследование было проведено как на аустенитных нержавеющих сталях (марок 304 и 310), так и на сплавах на никелевой основе (марок 625 и 690) с целью определения статистической значимости различных параметров и выявления диапазонов изменения параметров, в которых следует проводить испытания для получения воспроизводимых результатов. Основываясь на этом исследовании, были даны рекомендации по диапазонам изменения параметра режима сварки для нержавеющих сталей и сплавов на никелевой основе (табл. 10.2).
Методика количественной оценки склонности к образованию ликвационных трещин в зоне термического влияния

Склонность к ликвационным трещинам в зоне термического влияния может быть количественно оценена как с помощью испытаний по методу Varestraint так и путем испытаний на пластичность в горячем состоянии, что описано авторами работы. Методика испытаний по методике Varestraint применительно к ликвационным трещинам в ЗТВ отличается от описанной ранее для определения склонности к кристаллизационным трещинам в сварном шве. поскольку в ней используется стационарный точечный шов для создания стабильных температурных градиентов и микроструктуры в ЗТВ. Методика, разработанная в работе, используется для количественной оценки склонности к ликвационным трещинам в ЗТВ как на стадии нагрева, так и охлаждения. Схема испытаний представлена на рис. 10.6.
Испытания на стадии нагрева проводятся путем наведения сварочной ванны дугой неплавящегося электрода при выведении сварочного тока на нужный уровень поддержанием этого тока до момента стабилизации размера сварочной ванны и достижения требуемых градиентов температуры в ЗТВ. Для нержавеющих сталей марок 310 и А-286, исследованных в работе, диаметр пятна сварочной ванны составил 12 мм за время сварки 35 с. Затем дугу гасили и мгновенно прикладывали нагрузку, чтобы образец принял форму пуансона. Вследствие отсутствия задержки между выключением дуги и приложением нагрузки на границе сплавления инициируются ликвационные трещины и распространяются в ЗТВ по ликвационным границам зерен (рис. 10.7).
Построив график зависимости максимальной длины трещины (MCL) от величины деформации, можно определить насыщенную деформацию, представляющую собой величину деформации, выше которой максимальная длина трещины не меняется. На рис. 10.8,а приведены примеры зависимости максимальной длины трещины от деформации для нержавеющих сталей марок 310 и А-286. Следует обратить внимание на то, что для стали А-286 не может быть определена пороговая деформация образования трещины и обе стали достигают величины насыщения деформации, равной 3 %.

Для испытания на сталии охлаждения используется процедура, описанная ранее, но после выключения дуги имеется временная задержка перед началом изгиба образца. Управляя временем задержки, т. е. временем охлаждения, сварочной ванне дают возможность закристаллизоваться, а температура в частично расплавленной зоне при этом падает до тех пор, пока жидкие пленки по границам зерен не закристаллизуются полностью. Построив график зависимости максимальной длины трещины от времени охлаждения, можно найти время кристаллизации жидких пленок в частично расплавленной зоне (рис. 10.8,b). Следует обратить внимание на то, что для исчезновения трещин в стали А-286 требуется более 4 с, чтобы показать существование жидких пленок по границам зерен вплоть до весьма низких температур.
Измеряя с помощью термопар температурные градиенты в ЗТВ, можно определить термическую область склонности к трещинам (CSR), окружающую сварной шов, в которой возможно образование ликвационных трещин ЗТВ. Как описано в работе, это выполняется посредством перевода максимальной длины трещины при деформации насыщения для стадии нагрева и охлаждения точечного испытания по методике Varestraint в температуру путем умножения этой длины на температурный градиент в ЗТВ. Используя такой подход, можно описать вокруг движущейся сварочной ванны область, которая склонна к образованию ликванионных трещин ЗТВ.
На рис. 10.9 дан общий вид термических областей склонности к трещинам для сталей марок А-286 и 310, Следует обратить внимание на то, что ширина этой области снаружи сварного шва равна 222 °C для стали А-286 и только 61 °C для стали 310. Представляет интерес факт, основанный на данных охлаждения, что частично расплавленная зона стали А-286 полностью не кристаллизуется вплоть до температуры 1035 °С, в то время как в стали марки 310 — до 1295 °C. Эта методика обеспечивает количественный метод определения точных температурных диапазонов, в которых возникают трещины, и позволяет измерять склонность к образованию ликвационных трещин ЗТВ для различных сталей.





Яндекс.Метрика