Свариваемость является одной из
наиболее важных технологических характеристик, по которой оценивают
пригодность металла для изготовления конструкций. Свариваемость материалов
рассматривают как собирательное понятие, которое характеризуется двумя
параметрами: пригодностью к сварке и надежностью сварного соединения. Под
свариваемостью понимают способность металлов и других материалов образовывать
сварное соединение, свойства которого близки к свойствам основного металла.
Различают технологическую и эксплуатационную
свариваемость. В свою очередь, технологическую свариваемость подразделяют на
металлургическую и тепловую. Металлургическая свариваемость характеризует
способность материала свариваться различными видами сварки без образования в
металле горячих (кристаллизационных) и холодных трещин. При этом под
технологической прочностью сварных соединений понимают их способность
выдерживать без разрушения различного рода воздействия, которые могут
возникать в процессе сварки, остывания и вылеживания сварных конструкций под
влиянием сварочных деформаций и напряжений.
Тепловую свариваемость стали оценивают по изменению ее
свойств под действием термического цикла сварки. Эксплуатационную
свариваемость определяют по соответствию механических свойств конкретных
сварных соединений требованиям нормативно-технических документов.
В последнее время, для упрощения оценки свариваемости
арматуры НИИЖБ (А. М. Фридман) предложил пятибалльную систему которая
предусматривает следующие баллы свариваемости при испытании сварных
соединений статическим растяжением: равнопрочность сварных соединений
исходному металлу—балл 5;
прочность сварного соединения не ниже нормируемой для
исходного материала — балл 4;
прочность не ниже нормируемой для сварных соединений по
ГОСТ 10922—75 —балл 3.
Если сварное соединение не обеспечивает минимума требуемых
механических свойств, свариваемость арматурной стали оценивается баллом 2, а
сварные соединения не допускаются к применению.
В качестве дополнительного критерия оценки свариваемости
определяют степень разупрочнения при сварке, т. е. отношение прочности
сварного соединения о™ к прочности основного металла ав.
Видно, что прочность термически упрочненной арматуры со
сварными соединениями из стали 20ХГС2 отвечает требованиям класса Ат—V. В
зависимости от исходной прочности и качества выполнения контактной стыковой
сварки степень разупрочнения составляет 8—14%. Возможность контактной
стыковой сварки по традиционной технологии на существующих сварочных машинах
термоупрочненной арматуры из стали 20ХГС2 по классу не ниже Ат—V показана в
НИИЖБ Госстроя СССР А. М. Фридманом
Большой объем работ по исследованию свариваемости
различных видов термоупрочненных арматурных сталей, в том числе и стали
20ХГС2, в последние годы выполнен В. А. Чудновским в Челябинском
ПромстройНИИпроекте. В процессе проведения этих исследований, режимы
контактной стыковой сварки и охлаждения стыка, в целях обеспечения наименьшей
потери прочности сварного соединения по сравнению с прочностью основного
металла выбирали, руководствуясь развитыми А. Л. Немчинским, О. А. Бакши, Р.
3. Шрон и др. представлениями об эффекте контактного упрочнения так
называемой мягкой прослойки упрочненного участка), располагающейся в зоне
термического
влияния. Этот эффект заключается в том, что деформации
мягкой прослойки сдерживаются вблизи граничных поверхностей, по которым
прослойка контактирует с более прочным металлом. Вследствие этого напряженное
состояние мягкой прослойки становится объемным и ее прочность возрастает.
При определенных относительных размерах мягкой прослойки и
соотношения ее механических свойств с прочностью основного металла возможно
существенное повышение прочности мягкой прослойки практически до уровня
прочности основного металла
Из формулы следует, что с повышением прочности наиболее
слабого звена сварного соединения (мягкой прослойки) и уменьшением ее
относительной толщины агрегатная прочность сварного соединения возрастает.
Для прогнозирования эксплуатационной свариваемости представляется важным
иметь данные но тепловой свариваемости, которые определяют величину ом в
формуле.
В работе изучали тепловую и эксплуатационную свариваемость
термомеханически упрочненной арматуры диаметром 14 мм из стали 20ХГС2 (0,18% С; 1,26% Мп; 1,88% Si; 0,92% Сг; 0,032% S; 0,027% Р) и 20ГС (0,19% С; 1,09%
Мп; 1,04% Si; 0,034% S; 0,021 % Р). Тепловую свариваемость определяли путем
электроконтактного нагрева термоупрочнеиной арматуры в интервале температур
400—700 °С с последующим определением ее механических свойств при растяжении.
Контроль температуры нагрева осуществляли с помощью хромель-копелевой и
хромель- алюмелевой термопар, приваренных к поверхности натурных образцов.
Видно, что после нагрева в интервале 400—700 СС термоупроч- ненная арматура
из стали 20ХГС2 характеризуется повышенной тепловой свариваемостью, поскольку
сохраняет значительно более высокую прочность, чем тепловая прочность стали
20ГС, что предопределяет и более высокое значение а в в формуле, а
следовательно, и более высокую прочность сварного соединения при контактной
стыковой сварке:
С целью повышения прочности сварных соединений В. А. Чуд-
новск'ий, О. А. Бакши и Др. предложили способ контактной стыковой сварки с
последующим ускоренным охлаждением стыка водой или сжатым воздухом.
Ускоренное охлаждение стыка позволяет:предотвратить отвод тепла от сварного
стыка вдоль прутка и уменьшить тем самым ширину зоны термического влияния
(уменьшить относительную толщину мягкой прослойки); повысить прочность
участка с максимальным разупрочнением (мягкой прослойки); упрочнить путем
закалки и последующего электронагрева объем металла стыка, нагретый в
аустенитное состояние при сварочном цикле, чтобы сократить общую зону
разупрочнения и получить структурное состояние металла стыка, приближающееся
к структуре основного металла.
Контактную стыковую сварку по такому способу проводят на
сварочных машинах МСМУ-150М и МС-2008, оснащенных приспособлениями для
ускоренного охлаждения стыка в одном автоматическом цикле со сваркой.
Контактную стыковую сварку по новой технологии термически упрочненной арматуры
диаметром 12—14 мм из стали 20ХГС2 и 20ГС, принятой в качестве контрольной,
проводили на машине МС-2008 по оптимальным режимам: установочная длина — 30 мм; величина оплавления— 12,5 мм; общая величина осадки — 7,5 мм; осадка под током— 1 мм; время подстуживания водой — 3—3,5 с; ступень трансформатора — 5 (вторичное напряжение
4,7—4,9 В); положение вариатора—1 (скорость оплавления 0,4—1,8 мм/с). После
сварки соединения отпускали при 420 °С методом электронагрева.
Сварные соединения из стали 20ХГС2 равнопрочны основному
металлу не только в классе Ат—V, но и Ат—VI. Пластичность сварных соединений
термоупрочнеиной арматуры из стали 20ХГС2 выше, чем из стали 20ГС •как по
величине относительного удлинения, так и по углу холодного загиба,
максимальное значение которого при испытании вокруг оправки диаметром 5d в
стали 20ХГС2 составляет 180° против 140° в стали 20ГС.
Поскольку сталь 20ХГС2 обладает повышенной устойчивостью
•аустенита при охлаждении и прокаливаемостыо, опробовали ускоренное
охлаждение сварного стыка не водой, а воздухом. После сварки и охлаждения
термоупрочненных образцов таким способом, их отпускали при 520 °С
электроконтактным методом. Прочность сварных соединений при этом составила
1240—1245 МПа . Несмотря на снижение производительности, переход на
охлаждение сжатым воздухом перспективен, так как в этом случае охлаждение
можно проводить непосредственно в электродах сварочной машины.
Итак, в условиях описанной технологии контактной стыковой
сварки эксплуатационную свариваемость термоупрочнеиной арматуры из стали
20ХГС2 согласно системе бальной оценки, приведенной в СН 393—78, можно
оценить баллом 5.
При традиционной контактной стыковой сварке без применения
ускоренного охлаждения стыка термоупрочненная арматура из стали 20ХГС2, как
показали исследования, проведенные в НИИЖБ, Челябинском ПромстройНИИпроекте и
ИЧМ, может свариваться с сохранением прочности сварного соединения на уровне
требований класса Ат—V.
Дуговая сварка. Способность термоупрочненной арматурьг из
стали 20ХГС2 и других разработанных в ИЧМ марок стали, образовывать в
процессе дуговой сварки соединения, отвечающие эксплуатационным требованиям,
исследована в Челябинском.
Дуговую сварку проводили по режиму: сварочный ток — 240 А;
полярность тока — обратная; напряжение дуги — 26—27 В; вылет электродной
проволоки марки Св08Г2С диаметром 1,6—20 мм; расход защитного газа (С02) — 15
л/мин; расход энергии на 1 м длины свариваемого шва 250— 1000 кДж/м. Данные
по относительной прочности сварных образцов приведены на 75.
Наиболее высокой эксплуатационной свариваемостью при
дуговой сварке обладает термоупрочненная сталь 20ХГС2, а наиболее низкой —
сталь 20ГС с содержанием углерода, близким к нижнему пределу (пл. 4). Во всех
случаях разрушение наблюдается вдали от места сварки. Исследованные стали по
свариваемости дуговой сваркой в атмосфере углекислого газа можно расположить
в порядке ухудшения свариваемости в следующий качественный ряд: 20ХГС2,
20ГС2Ф, 20ГС2, 20ГС.
В заключение отметим, что выполненные в Челябинском
ПромстройНИИ-, проекте и НИИЖБ Госстроя СССР исследования контактной
стыковой. и электродуговой сварки различных видов термоупрочненных арматурных
сталей позволили разработать рекомендации по их сварке, что будет несомненно
способствовать более эффективному их использованию в строительстве.
|