Почему при сварке толстых листов часто используется «низкопрочное сопряжение»?

«Низкопрочное сопряжение» означает использование сварочных материалов (электродов, проволоки и т. д.), прочность металла шва которых ниже стандартного значения прочности основного металла. Это особенно распространено при сварке толстых листов, и лежащие в его основе принципы можно понять как с точки зрения механики, так и металлургии.

一. Механические принципы: совместимость деформаций и перераспределение напряжений

❶ Остаточные напряжения и ограничения:

⑴ При сварке толстых листов сварной шов и окружающая его зона (зона термического влияния) подвергаются интенсивным термоциклическим нагрузкам при нагреве и охлаждении. Благодаря высокой жесткости толстого листа в направлении толщины усадка шва существенно ограничена.

⑵ Это сильное ограничение приводит к высоким остаточным напряжениям в сварном соединении, особенно по толщине и длине шва, где пиковое напряжение может приближаться к пределу текучести материала или даже достигать его.

❷ Эффект «короткой планки» прочности и функция предохранительного клапана:

⑴ В низкопрочных конструкциях с сопряжением предел текучести сварного шва ниже, чем у основного металла. При воздействии на соединение нагрузки (особенно динамической или концентрации напряжений) более слабая зона сварного шва первой подвергается пластической деформации.

⑵ Эта пластическая деформация действует как «предохранительный клапан», эффективно снимая и перераспределяя высокие остаточные напряжения и локальные пики напряжений в соединении, предотвращая чрезмерную концентрацию напряжений в более опасных зонах (например, в обычно менее прочной зоне термического влияния).

⑶ Простая аналогия: представьте себе цепь, одно звено которой (сварной шов) намеренно немного ослаблено. При перегрузке цепи это слабое звено деформируется и удлиняется первым, подавая «предупреждающий сигнал» вместо того, чтобы позволить другим, более критическим и прочным звеньям (основному материалу или зоне термического влияния) внезапно и хрупко разрушиться.

❸ Повышенная стойкость к хрупкому разрушению:

⑴ Для толстолистовых конструкций хрупкое разрушение является одним из основных видов разрушения. Хрупкое разрушение часто возникает в зонах повышенных напряжений с дефектами (такими как трещины или неполный провар) и концентрацией напряжений.

(2) Низкопрочные сварные швы обладают более высокой способностью к пластической деформации, что позволяет им «пассивировать» вершины трещин за счет текучести, значительно снижая риск нестабильного распространения трещин и, таким образом, повышая общую стойкость соединения к хрупкому разрушению.

二. Металлургические принципы: повышение комплексных характеристик сварных швов

❶ Баланс прочности и вязкости в металле сварного шва:

(1) В металлургии прочность и вязкость часто противоречат друг другу. Повышение прочности обычно требует увеличения содержания углерода или легирующих элементов, но это часто приводит к снижению вязкости и пластичности и повышению склонности к образованию холодных трещин.

(2) Низкопрочные сварные швы с подогревом обычно имеют более низкий углеродный эквивалент, что означает:

● Лучшая свариваемость: более низкие требования к температуре предварительного подогрева, что упрощает сварку.

● Более высокая ударная вязкость: металл шва обладает превосходной ударной вязкостью при низких температурах.

● Меньшая склонность к образованию холодных трещин: меньшая чувствительность к образованию холодных трещин под действием водорода, что критически важно для сварки толстолистовых сталей.

❷ Допуск на мелкие дефекты:

(1) Любой сварной шов может содержать мелкие дефекты, такие как пористость и шлаковые включения. Низкопрочные сварные швы с подогревом и высокой ударной вязкостью менее чувствительны к этим дефектам, поскольку их хорошая пластичность обеспечивает более равномерное распределение напряжений, предотвращая чрезвычайно высокую концентрацию напряжений в местах дефектов.

Подводя итог, можно сказать, что преимущества низкопрочного соединения заключаются в следующем: за счёт небольшого снижения номинальной прочности достигается более высокая общая надёжность соединения, трещиностойкость (особенно стойкость к образованию холодных трещин и хрупкому разрушению) и простота изготовления. В основе этой философии проектирования лежит принцип «использования гибкости для преодоления жёсткости».

Когда необходимо «равнопрочность» или «высокопрочность»?

В следующих ситуациях необходимо использовать равнопрочность (прочность сварного шва равна прочности основного металла) или высокопрочность (прочность сварного шва выше прочности основного металла):

一. Ситуации, когда необходимо использовать «равнопрочность» или «высокопрочность»:

❶ Конструкции, подверженные динамическим и усталостным нагрузкам:

● Например: мосты, стрелы кранов и стрелы строительной техники.

● Принцип действия: В этих конструкциях сварной шов должен выдерживать многократные циклические напряжения. При использовании низкопрочного соединения в области сварного шва с меньшей прочностью будет преждевременно накапливаться пластическая деформация при циклическом нагружении, что приведет к значительному сокращению усталостной долговечности. Равнопрочное или высокопрочное соединение гарантирует, что сварной шов имеет усталостную прочность, сопоставимую с основным металлом, что повышает вероятность возникновения усталостных трещин в основном металле, а не в сварном шве.

❷ Тонкостенные конструкции, рассчитанные на прочность:

● При небольшой толщине листа напряжение, ограничивающее сварку, низкое, и проблемы с остаточными напряжениями незначительны. В этом случае несущая способность конструкции часто напрямую определяется прочностью материала. Для полного использования материала и снижения веса конструкции необходимо использовать равнопрочное соединение, чтобы сварной шов не стал слабым местом в общей конструкции.

❸ Ситуации, когда металл шва должен выдерживать полную прочность основного металла:

● В некоторых конструкциях нагрузка полностью передается через сварной шов, а размеры поперечного сечения основного металла максимальны. В этом случае сварной шов должен иметь как минимум такую ​​же прочность, как и основной металл; в противном случае он станет отправной точкой разрушения.

❹ Требования к конкретным материалам и процессам:

● Например, при сварке закаленной и отпущенной стали (закаленная + отпущенная сталь) для поддержания эксплуатационных характеристик зоны термического влияния обычно требуется использовать сварочные материалы равной или несколько более высокой прочности, а также строго соблюдать технологию сварки, чтобы предотвратить разупрочнение и ухудшение характеристик в зоне термического влияния.

● При сварке нержавеющей и жаропрочной стали, помимо прочности, важнейшим требованием является соответствие коррозионной стойкости или высокотемпературным свойствам сварного шва требованиям основного металла. Обычно это означает необходимость равного соответствия химического состава, что часто приводит к получению равнопрочных или высокопрочных сварных швов.

❺ Нормы и стандарты:

● Некоторые отраслевые стандарты (например, для сосудов высокого давления, компонентов атомных электростанций и критически важных компонентов в аэрокосмической промышленности) могут явно предусматривать использование равнопрочных или высокопрочных соединений для обеспечения абсолютной безопасности в экстремальных условиях.

Особое примечание относительно «высокопрочного соединения»:

Высокопрочное соединение, как правило, не означает «чем прочнее, тем лучше». Чрезмерно высокая прочность сварного шва может привести к:

⑴ снижению вязкости.

⑵ несовместимости с пластичностью основного металла; при чрезмерном напряжении деформация может концентрироваться в прилегающем основном металле или зоне термического влияния.

Следовательно, даже при высокопрочном соединении прочность, как правило, всего на одну ступень выше прочности основного металла, и крайне важно обеспечить соответствие его вязкости и пластичности требованиям.

Заключение

Выбор принципов согласования прочности сварных соединений – это комплексное инженерное решение:

● Для толстых листов, статических нагрузок и конструкций, где особое внимание уделяется стойкости к хрупкому разрушению, следует отдавать предпочтение «соответствию низкой прочности», используя их превосходные возможности перераспределения напряжений и высокую вязкость для обеспечения безопасности.

● Для тонких листов, подверженных динамическим нагрузкам, усталостным нагрузкам или конструкций с особыми требованиями к эксплуатационным характеристикам, основанными на прочностных расчетах, необходимо использовать «соответствие равной прочности» или «соответствие высокой прочности» для обеспечения несущей способности соединения и его эксплуатационных характеристик.

В практическом проектировании окончательный выбор должен основываться на конкретных требованиях к конструкции, условиях эксплуатации, применяемых стандартах и ​​спецификациях, а также на достаточном количестве испытаний на квалификацию процесса.