Рассмотрим сопротивление усталости однородных и разнородных сварных соединений.
Однородные соединения.
Однородное сварное соединение стали 0Х12НДЛ выполнялось тремя способами. В двух случаях сварка проводилась с подогревом электродами УОНИ 10X13 или ЦЛ-41, в третьем случае холодные плиты сваривались электродом ЦЛ-25 (табл. 2).
Предел выносливости образцов, сваренных электродом УОНИ 10X13 с усилением шва и без последующей термообработки, составляет 6,5 кгс/мм2 (рис. 14, б). Немедленная термообработка (отпуск при 670° С) после сварки повышает предел выносливости до 7,5 кгс/мм2.
У образцов с немедленной термообработкой после сварки и последующим снятием механической обработкой усиления шва предел выносливости увеличивается с 7,5 до 14,5 кгс/мм2 — почти в 2 раза (рис. 14, а) и достигает пределу выносливости основного металла.
Рис. 14. Кривые усталости сварных образцов (электрод УОНИ 10X13):
1 — после сварки; 2 —после сварки остывание до 20° С, затем термообработка; 3 — после сварки немедленная термообработка
2. Химический состав металла, наплавленного исследуемыми электродами
У образцов без термообработки предел выносливости повышается после снятия усиления шва с 6,5 до 12,5 кгс/мм2 (рис. 14, а и б).
Термообработка после остывания сваренных плит снижает предел выносливости по сравнению с полученными после немедленной термообработки с 14,5 до 13,5 кгс/мм2. Это снижение можно объяснить возможностью появления сварочных трещин в процессе остывания плит после сварки. Термообработка после сварки, тем более, что сварка выполнялась с подогревом плит до 350° С, значительно уменьшает появление трещин.
Усталостные изломы образцов с немедленной термообработкой после сварки возникали по основному металлу на расстоянии 3— 5 мм от зоны сплавления или по зоне сплавления, а образцов без термообработки и с термообработкой после остывания плит — по зоне сплавления.
Сварное соединение стали 0Х12НДЛ, выполненное электродом УОНИ 10X13, имеет высокую усталостную прочность. Однако существенным недостатком этого электрода является то, что сварка идет с подогревом плит до 350—400° С.
Лучшие технологические характеристики имеет электрод ЦЛ-41. Сварка этим электродом требует подогрева лишь до 200° С, что существенно облегчает сварочные работы.
Предел выносливости сварных образцов со снятым усилением шва и отпуском до 670° С в течение 6 ч после сварки составил кгс/мм2, что равняется пределу выносливости основного металла (сталь 0Х12НДЛ).
При сварке электродом УОНИ 10X13 после термообработки остаточные напряжения оказались невелики. Можно предполагать, что и в сварном соединении, выполненном электродом ЦЛ-41, остаточные напряжения будут невелики.
Предел выносливости образцов, сваренных электродом ЦЛ-25, с усилением шва и без последующей термообработки составляет 4,5 кгс/мм2 (рис. 15, б). Термообработка после сварки (отпуск при 670° С) повышает предел выносливости до 5,5 кгс/мм2.
Снятие усиления шва у образцов без термообработки повышает предел выносливости С 4,5 до 10,5 кгс/мм2 (рис. 15, а).
Образцы с термообработкой после сварки и со снятым усилением шва имеют предел выносливости 12,5 кгс/мм2, что на 14% ниже усталостной прочности основного металла (σ_1= 14,5 кгс/мм2).
Усталостные изломы на образцах с усилением шва возникали в месте перехода усиления шва к основному металлу, а при снятии усиления шва — по зоне сплавления.
Сопоставление результатов (см. рис. 14 и 15) усталостных испытаний сварных однородных соединений стали 0Х12НДЛ, выполненных электродами УОНИ 10X13 и ЦЛ-41, при проведении после сварки термообработки показывает, что предел выносливости сварных соединений равен пределу выносливости основного металла (14,5 кгс/мм2). Предел выносливости сварного соединения, выполненного электродом ЦЛ-25, составляет 12,5 кгс/мм2.
Низкий предел выносливости соединения, сваренного электродом ЦЛ-25, по-видимому, объясняется высоким уровнем (15 — 17 кгс/мм2) остаточных напряжений, возникающих после термообработки, и структурной неоднородностью в зоне сплавления.
Результаты усталостных испытаний, приведенных выше, являются одним из основных факторов при выборе электрода для сварки рабочих колес мощных турбин.
Разнородные соединения.
В связи с тем, что в разнородных сварных соединениях из-за различия коэффициентов линейного расширения после термообработки возникают значительные остаточные напряжения, представляет интерес изучение их усталостной прочности после термообработки.
На рис. 16 даны кривые усталости соединения сталей 0Х12НДЛ и 15Г2ВЛ, сваренного ручной сваркой электродом УОНИ13/55 (облицовка стали 0Х12НДЛ электродом ЦУ-2ХМ). После сварки произведен отпуск при 650° С с охлаждением при υ = 50° С/ч. Предел выносливости образцов с усилением шва составляет 7,5 кгс/мм2. Снятие механической обработкой усиления шва повышает предел выносливости соединения до 11,5 кгс/мм2, т. е. более чем в 2,5 раза.
Усталостные изломы в образцах с усилением шва возникают в месте перехода усиления шва к стали 0Х12НДЛ, а при снятии усиления шва — по зоне сплавления.
Определим усталостную прочность соединения сталей 0Х12НДЛ и 20ГСЛ, выполненного электрошлаковой сваркой.
После сварки соединение подверглось нормализации при 950° С, затем отпуску при 620° С и охлаждению со скоростью ν= 50° С/ч (рис. 16, б). Предел выносливости равен 12,5 кгс/мм2. Образцы испытывались со снятым усилением шва. Усталостные изломы, так же как и в сварном соединении стали 0Х12НДЛ со сталью 15Г2ВЛ, происходили по зоне сплавления металла электрода со сталью 0Х12НДЛ.
Рис. 15. Кривые усталости сварных образцов (электрод ЦЛ-25, усиление шва снято):
1 — после сварки; 2 — после сварки термообработка
Рис. 16. Кривые усталости разнородных сварных соединений:
а — 0Х12НДЛ + 15Г2ВЛ, после сварки отпуск при 650е С; б —0Х12НДЛ + 20ГСЛ, после сварки нормализация при 950° С и отпуск при 620 С; 1 — сварка в углекислом газе СO2; 2 — ручная сварка, облицовка ЦУ-36; 3 — ручная сварка, облицовка ЦУ-2ХМ; 4 — электрошлаковая сварка
Эксперименты показывают, что в разнородных сварных соединениях, так же как и в однородных, снятие усиления шва резко (почти в 2 раза) повышает сопротивление усталости.
Низкие значения усталостной прочности разнородных сварных соединений после термообработки по сравнению с однородными соединениями и основным металлом объясняются значительными (20—25 кгс/мм2) остаточными напряжениями, вызванными различием коэффициентов линейного расширения и структурной неоднородностью зоны сплавления.
Металлографические исследования и замеры микротвердости показали, что в разнородных соединениях диффузионные прослойки выражены слабо. Поэтому, не исключая влияние структурной неоднородности, можно считать, что основное влияние на снижение усталостной прочности разнородных сварных соединений оказывают неблагоприятные остаточные напряжения.
То, что усталостные разрушения в разнородных сварных соединениях возникали в зоне сплавления металла электрода со сталью, может быть объяснено тем, что в этой зоне действуют максимальные остаточные напряжения (см. рис. 12) и имеется, хоть и небольшая, структурная неоднородность (науглероженная и обезуглероженная зоны). Замеры микротвердости показали, что большей частью разрушения начинаются в месте перехода этих зон.
Сравнение усталостной прочности однородных и разнородных сварных соединений показывает (см. рис. 14 и 16), что если в однородных соединениях (электроды ЦЛ-41, УОНИ 10X13) после термообработки пределы выносливости одинаковые с пределами выносливости основного металла, то у разнородных сварных соединений вследствие неблагоприятных остаточных напряжений они на 15—25% ниже.
Близкие значения пределов выносливости однородных и разнородных соединений, выполненных аустенитным электродом ЦЛ-25, объясняются тем, что электрод ЦЛ-25 и сталь 0Х12НДЛ имеют разные коэффициенты линейного расширения и в их соединении возникают неблагоприятные остаточные напряжения.
