Прочность и работоспособность сварного соединения зависят от его формы и соотношения механических свойств металла шва, околошовной зоны (обычно зоны термического влияния) и основ­ного металла.

При оценке ожидаемых механических свойств металла шва необходимо учитывать действие следующих технологических фак­торов: долю участия основного металла в формировании шва и его химический состав; тип и химический состав сварочных мате­риалов; метод п режим сварки; тип соединения и число прохо­дов (слоев) в сварном шве; размеры сварного соединения; вели­
чину пластических деформаций растяжения в металле гпва при его остывании.

Влияние элементов, входящих в основной металл, участвую­щий в образовании шва, может быть значительным. Не учиты­вать эго влияние нельзя. Роль химического состава сварочных материалов очевидна — подбором сварочных материалов можно регулировать химический состав и механические свойства метал­ла шва в самых широких пределах.

Метод сварки определяет тин защиты, ее химическую актив­ность, а режим сварки изменяет долю основного металла, объем жидкого флюса, участвующих в химических реакциях, что, естест­венно, влияет на химический состав металла шва и его свойства.

Тип соединения и число слоев влияют на химический состав металла шва, так как они определяют долю участия сварочных материалов в формировании шва и характер химико-металлур­гических процессов в зоне сварки.

Размеры сварного соединения влияют на характер темпера­турного ноля и термического цикла, определяя также существен­ные для формирования механических свойств металла шва харак­теристики: наибольшую температуру нагрева Гтах, длительность выдержки металла в интервале температур выше критических tB и скорость его охлаждения шохл.

Пластические деформации растяжения влияют в основном только на величину предела текучести металла шва, повышая отношение от ш/0в ш до величины 0,75—0,8 вместо обычных для прокатной стали отношений 0,65—0,7.

В связи с этим недостаточно выбирать режим сварки и на­плавки только по показателям сплошности, правильного фор­мирования, отсутствия дефектов, устойчивости и производитель­ности процесса. Необходимо выбирать такие режимы, которые, обеспечивая указанные выше требования, способствовали бы также получению благоприятных структур и механических свойств металла шва и з. т. в.

На основании изучения всех факторов, влияющих на меха­нические свойства металла шва, разработаны приближенные спо­собы оценки ожидаемых механических свойств, многократная проверка которых показала, что расчетные характеристики метал­ла шва но сравнению с экспериментальными определяются с точ­ностью ± 10—15%.

При сварке пизкоуглеродистых сталей обычными методами химический состав металла шва, характеризуемый эквивалент­ным содержанием углерода Сэш, незначительно отличается от химического состава основного металла, характеризуемого также эквивалентным содержанием углерода Сэо. Для этих сталей Са о = 0,21 -4- 0,35% иСэ. ш = 0,20 -у 0,30%. Механические свойст­ва металла шва зависят в основном только от скорости его охлаж­дения и пластических деформаций растяжения, возникающих в металле шва при его остывании.

Существенное влияние скорости охлаждения ме­талла шва на его меха­нические свойства связано с известными в металло­ведении особен постями распада переохлажденно­го аустенита, с образова­нием вместо равновесно­го перлита (содержащего 0,83% С) исевдозвтектои - да, имеющего неравновес­ный состав и более мел­кую структуру. Кроме того, наряду с уменьше­нием количества углерода в псевдоэвтектоиде феррит обогащается углеродом, становится также неравновесным и изменяет свои свойства. Измельчаются зерна псевдоэвтектоида и феррита.

Таким образом, с увеличением скорости охлаждения металла шва вместо сравнительно мягких равновесных структур феррит­но-перлитной стали происходит образование неравновесных, мел­кодисперсных структур сорбита, тростита и бейнита, что приво­дит к заметному повышению прочности и уменьшению пластич­ности металла шва. Аналогичное явление происходит в сталях, которые с целью повышения их прочности подвергают процессу так называемого термического упрочнения.

Используя график, приведенный на рис. 104, на котором пока­зано изменение безразмерных коэффициентов, влияющих на харак­теристики металла шва f{HB), /(о„),(/ сгт) и /(ф) в зависимости от ско­рости остывания шва, можно рассчитать ожидаемые характерис­тики металла шва. Зная механические свойства основного металла и режим сварки, рассчитывают скорость охлаждения ш0Хл» по графику определяют соответствующие безразмерные коэффициенты и определяют ожидаемые механические свойства металла шва по очевидным формулам:

Ов. ш = / (Ов) Ов. о! От. ш = / (От) От. о!

фш = / (Ф) ф0; НВШ = / (оЕ) ПВ0 6Ш = 0,43фш,

где 0В. Ш1 отш, фш, НВШ, 8Ш — соответствующие характеристики металла шва, а ово, от0, фо, НВ0 — предел прочности, предел текучести, относительное поперечное сужение и твердость основ­ного свариваемого металла.

Для легированных сталей необходимо учитывать более точно химический состав металла шва (рис. 105). Изучая комплексное легирование металла шва с пределом легирования:

Непосредственное определение механических характеристик металла швов позволило установить коэффициенты влияния каждого элемента и составить эмпирические уравнения для рас­чета ожидаемых механических характеристик металла сварных низколегированных швов в следующем виде: для предела прочности шва, кгс/мм2

ов ш = 4,8 + 50С + 25,2Mn + 17,5Si + 23,9Сг + 7,7Ni +

-f8W + 70Ti + 17,6Си + 29Л1 + 16,8Мо (41)

для относительного удлинения шва, %

6Ш = 50,4 - [21,8С + 15Мп + 4 9Si + 2,4Ni + 5,8Cr +

+ 6,2Cu + 2,2W + 6,6TiJ + 17.1A1 + 2,7Mo (42)

для ударной вязкости шва при Т ■— 20° С, кгс • м/см2

ян. ш = 23,3 - [25,7С + 6,4Мп +

+ 8,4Si + 2,4Cr+l,6Ni +

+ 4Cu + 0,5W + l,4Mo +

+ 15.4ТІІ + 18А1 (43)

для предела текучести шва

Фг. ш = 6,73ств ш; (44)

для относительного попереч­ного сужения

фш = 2,326ш. (45)

В этих формулах значе­ние каждого компонента при­нято в процентах.

Формулы (41)—(45) справедливы при условии, что концент­рация отдельных элементов лежит в указанных выше пределах, суммарное содержание всех легирующих элементов не превышает 5% и скорость охлаждения металла шва не превышает 2° С/с (т. е. отсутствует эффект закалки). При больших скоростях ох­лаждения необходимо учитывать эффект закалки, используя данные рис. 100, на котором эффект закалки в зависимости от скорости охлаждения приведен для двух эквивалентных содержаний угле­рода Сэ = 0,26 и Сэ = 0,57. Для промежуточных значений Св реко­мендуется пользоваться интерполяцией и определять и>охп. Зквива-

1 — 25 А/мм!; £ — SG А/мм2; г — 40 А/мы2, & — 80 А/мм2; 5 — 160 А/мм2; 0 — 250 А/ым'

где С, Mn, Cr, V, Мо и т. д. — процентное содержание легирую­щих элементов в металле шва. Медь и фосфор учитывают только в том случае, если концентрация меди больше 0,5%, а фосфора больше 0,05 %. Для определения химического состава металла шва можно воспользоваться правилом смешения.

Площадь наплавки можно рассчитать по уравнению (19), а площадь провара — по формуле

/'пР = %ф-^0,95-10-4.

^ев

Полный тепловой к. п. д. т|Пр зависит главным образом от ско­рости сварки и плотности тока в электроде (рис. 107).