Особенности сварки изделий из углеродистых стальных сплавов 6

Сварка сталей разного типа

В целях придания металлу определенных физико-механических свойств и изменения его строения проводится легирование металла. В результате данного процесса удается повысить твердость, износостойкость, а также придать металлу высокую стойкость к коррозии. В качестве основных легирующих элементов выступают никель, хром, марганец, молибден, вольфрам, кремний. В зависимости от количества легированных элементов стали делятся на:

· — низколегированные (содержание легирующего элемента составляет менее 5%);

· — среднелегированные (5-10%);

· — высоколегированные (более 10%).

· Характерными общими трудностями при сварке этих сталей являются: – образование закалочных структур при охлаждении после сварки и в связи с этим склонность к холодным трещинам; – опасность образования горячих трещин; – разупрочнение металла сварочного соединения по сравнению с основным металлом.

· Для повышения пластичности сварного шва и увеличения сопротивляемости трещинам содержание углерода в присадочном металле должно быть менее 0,15%; целесообразно предусмотреть более широкую разделку кромок, чтобы обеспечить формирование шва в основном за счет более’пластичного присадочного металла. Высокая технологическая прочность сварного шва достигается при ограничении содержания легирующих элементов в присадочной проволоке до следующих пределов, %: 0,15 С; 0,5 Si; 1,5 МП; 1,5 Gr; 2,5 Ni; 0,5 V; 1,0 Mg; 0,5 Nb.

· В качестве защитных средств необходимо использовать покрытия и флюсы основного типа, а также инертные газы (для легированных сталей). Для уменьшения сварочных напряжений, являющихся одной из причин образования трещин, необходимо при конструировании избегать жестких узлов, скоплений швов, пересекающихся и близко расположенных швов.

· Во время сварки предусматриваются следующие технологические меры:
1. Тщательная подготовка и сборка под сварку, минимальное смещение кромок (менее 10—15% толщины), минимальный зазор, качественные прихватки и зачистка кромок;
2. Регулирование термического цикла сварки для обеспечения требуемой скорости охлаждения шва и зоны термического влияния. Скорость охлаждения регулируют изменением режимов сварки (величина тока, скорость сварки, погонная энергия), применением специальных технологических приемов (сварка короткими и длинными участками, наложение отжигающего валика, сварка горкой, каскадом и др.) и применением подогрева, который может быть предварительным, сопутствующим и последующим. Подогрев является наиболее радикальным способом регулирования скорости охлаждения и его используют, когда регулированием режимов сварки и специальными технологическими приемами не удается обеспечить требуемую скорость охлаждения и структуру сварного соединения. Чем выше содержание углерода и легирующих элементов, тем выше температура подогрева.
3. Уменьшение содержания водорода в сварном шве, так как водород является одной из главных причин образования холодных трещин. Это достигается применением электродов с фтористо-кальциевыми покрытиями и основных флюсов, защитных газов с пониженной влажностью; сваркой на постоянном токе обратной полярности; тщательной подготовкой под сварку свариваемого и присадочного металла (зачистка, обезвоживание) и защитных материалов (сушка, прокалка).
4. Рациональная последовательность наложения швов с целью уменьшения остаточных напряжений и деформаций.

· После сварки для предотвращения холодных трещин производят незамедлительно высокий отпуск для снятия остаточных напряжений и стабилизации структуры.

· Для обеспечения равнопрочности сварного соединения после сварки производят полную термообработку изделия, которая заключается в закалке и последующем высоком отпуске или в нормализации.

· Если габариты изделия и имеющееся оборудование допускают полную термообработку, то химический состав металла шва должен быть близок химическому составу основного металла.

· Если полная термообработка невозможна, то проблема равно-прочности решается подбором режимов сварки и легированием через присадочную проволоку.

· При сварке закаливающихся сталей применяют в основном виды сварки плавлением — ручную дуговую, под флюсом, в защитных газах, электронно-лучевую, электрошлаковую с использованием сварочных материалов, обеспечивающих заданную прочность и химический состав сварного шва.

 

мартенситно-ферритные стали 12

По свариваемости мартенситно-ферритные стали являются неудобными материалами. В связи с неизбежной подкалкой при сварке сварные соединения мартенситно-ферритных сталей склонны к образованию трещин замедленного разрушения. Кроме того, при перегреве в 3ТВ часто наблюдают трещины хрупкого разрушения.

Ударная вязкость металла в 3ТВ сварных соединений 13%-ных хромистых сталей снижается до 10 дж/см². В случае низкого содержания δ -феррита последующим термическим отпуском при 700^оС, способствующим распаду структур закалки и выделению карбидов, можно повысить ударную вязкость металла в 3ТВ до 50... 100 Дж/см² При способах сварки, способствующих значительному перегреву металла в 3ТВ с образованием структуры с большим содержанием о-феррита, термический отпуск мало влияет на ударную вязкость, в результате чего сварные соединения отличаются высокой хрупкостью и не годятся для нагруженных конструкций

ффективным способом снижения содержания ферритной составляющей в структуре хромистых сталей является легирование их углеродом и никелем.

 

Образование большого количества δ-феррита в структуре околошовного металла характерно для 13... 14%-ных хромистых сталей с <0,1 % С. В участках ОШ3 сварных соединений, нагреваемых до температур, близких к температуре солидуса, количество δ-феррита в структуре может быть подавляющим. Ширина таких участков мало зависит от температуры подогрева при сварке, но возрастает с погонной энергией сварки.

 

Мартенситно-ферритные стали сваривают, как правило, с предварительным и сопутствующим подогревом (табл. 10.45).

 

Для низкоуглеродистой стали 08Х14МФ подогрев при сварке не при меняют, так как легирование карбидообразующими элементами снижает эффективное содержание углерода.

Высоколегированные аустенитные 13

Высоколегированные аустенитные стали и сплавы обладают комплексом положительных свойств. Поэтому одну и ту же марку стали иногда можно использовать для изготовления изделий различного назначения, например коррозионно-стойких, хладостойких, жаропрочных и т.д. В связи с этим и требования к свойствам сварных соединений будут различными. Это определит и различную технологию сварки (сварочные материалы, режимы сварки, необходимость последующей термообработки и т.д.), направленную на получение сварного соединениях необходимыми свойствами, определяемыми составом металла шва и его структурой.

Характерные для высоколегированных сталей теплофизические свойства определяют некоторые особенности их сварки. Пониженный коэффициент теплопроводности при равных остальных условиях значительно изменяет распределение температур в шве и околошовной зоне (рис. 1). В результате одинаковые изотермы в высоколегированных сталях более развиты, чем в углеродистых. Это увеличивает глубину проплавления основного металла, а с учетом повышенного коэффициента теплового расширения возрастает и коробление изделий.

Поэтому для уменьшения коробления изделий из высоколегированных сталей следует применять способы и режимы сварки, характеризующиеся максимальной концентрацией тепловой энергии. Примерно в 5 раз более высокое, чем у углеродистых сталей, удельное электросопротивление обусловливает больший разогрев сварочной проволоки в вылете электрода или металлического стержня электрода для ручной дуговой сварки. При автоматической и полуавтоматической дуговой сварке следует уменьшать вылет электрода и повышать скорость его подачи. При ручной дуговой сварке уменьшают длину электродов и допустимую плотность сварочного тока.

 

1) Ограничением (особенно при сварке аустенитных сталей) в основ ном и наплавленном металлах содержания вредных (серы, фосфора) и ликвирующих (свинца, олова, висмута) примесей, а также газов - кислорода и водорода. Для этого следует применять режимы, уменьшающие долю основного металла в шве, и использовать стали и сварочные материалы с минимальным содержанием названных примесей. Техника сварки должна обеспечивать минимальное насыщение металла шва газами. Этому способствует применение для сварки постоянного тока обратной полярности. При ручной сварке покрытыми электродами следует поддерживать короткую дугу и сварку вести без поперечных колебаний. При сварке в защитных газах, предупреждая подсос воздуха, следует поддерживать коротким вылет электрода и выбирать оптимальными скорость сварки и расход защитных газов. Необходимо также принимать меры к удалению влаги из флюса и покрытия электродов, обеспечивая их необходимую прокалку. Это уменьшит также вероятность образования пор, вызываемых водородом; Получением такого химического состава металла шва, который обеспечил бы в нем двухфазную структуру. Для жаропрочных и жаростойких сталей с малым запасом аустенитности и содержанием никеля до 15 % это достигается получением аустенитно-ферритной структуры с 3... 5 % феррита. Большее количество феррита может привести к значительному высокотемпературному охрупчиванию швов ввиду их сигматизации. Стремление получить аустенитно-ферритную структуру швов на глубокоаустенитных сталях, содержащих более 15 % Ni, потребует повышенного их легирования ферритообразующими элементами, что приведет к снижению пластических свойств шва и охрупчиванию ввиду появления хрупких эвтектик, а иногда и?-фазы.

Поэтому в швах стремятся получить аустенитную структуру с мелкодисперсными карбидами и интерметаллидами. Благоприятно и легирование швов повышенным количеством молибдена, марганца и вольфрама, подавляющих процесс образования горячих трещин. Количество феррита в структуре швов на коррозионно-стойких сталях может быть повышено до 15... 25 %. Высоколегированные стали содержат в качестве легирующих присадок алюминий, кремний, титан, ниобий, хром и другие элементы, обладающие большим сродством к кислороду, чем железо. Поэтому при наличии в зоне сварки окислительной атмосферы возможен их значительный угар, что может привести к уменьшению содержания или к полному исчезновению в структуре шва ферритной и карбидной фаз, особенно в металле с небольшим избытком ферритизаторов.

Для сварки рекомендуется использовать неокислительные низкокремнистые, высокоосновные флюсы (фторидные) и покрытия электродов (фтористокальциевые). Сварка короткой дугой и предупреждение подсоса воздуха служит этой же цели. Азот - сильный аустенитизатор, способствует измельчению структуры за счет увеличения центров кристаллизации в виде тугоплавких нитридов. Поэтому азотизация металла шва способствует повышению их стойкости против горячих трещин.

Высокоосновные флюсы и шлаки, рафинируя металл шва и иногда модифицируя его структуру, повышают стойкость против горячих трещин. Механизированные способы сварки, обеспечивая равномерное проплавление основного металла по длине шва и постоянство термического цикла сварки, позволяют получить и более стабильные структуры на всей длине сварного соединения;

 

Табл. 1 Классификация сталей, применяемых в сварных соединениях разнородных сталей

Класс сталей и сварочных материалов	Группа	Характеристика сталей	Марки (примеры)
Перлитные и бейнитные	I	Углеродистые	Ст3, 20
II	Низколегированные	09Г2С, 10ХСНД, 20ХГСА
III	Легированные Среднеуглеродистые	30ХГСА, 40Х, 40ХН2МА, 38ХВ
IV	Теплоустойчивые (Cr-Мо и Cr-Mo-V)	12МХ, 12Х1МФ, 20Х1М1Ф169
V	Хладостойкие (Fe-Ni)	0Н3, 0Н6, 0Н9
Мартенситные, ферритные, ферритно-мартенситные, аустенитно-мартенситные, ферритно-аустенитные	VI	12 %-ные хромистые, жаростойкие	08X13, 12X13
VII	Высокохромистые, жаростойкие	08X17Т, 15Х25Т, 20X17Н2
VIII	12 %-ные хромистые, жаропрочные	15X11МФ, 15Х12ВНМФ
IX	Хромоникелевые коррозионно-стойкие	12Х21Н5Т
Аустенитные стали и сплавы на никелевой основе	X	Коррозионно-стойкие аустенитные	12Х18Н10Т, 10Х17Н13МЗТ
XI	Аустенитные жаропрочные	Х15Н35ВТ, 20Х25Н20С2
XII	Аустенитные коррозионно-стойкие и криогенные	Х18Н20,Х13АП9, 06Х23Н28МЗДЗТ
XIII	Жаропрочные никелевые сплавы	ХН70ВМТЮФ, ХН56ВМТЮ

Конструкции, сваренные из разнородных сталей, называют комбинированными. Они применяются в тех случаях, когда условия работы отдельных частей конструкции отличаются температурой, агрессивностью среды, особыми механическими воздействиями (износ, знакопеременное нагрузка и т.п.).

Основные виды сварки

Специалисты используют 2 вида сварки чугуна – холодный способ и горячий. При холодной сварке необходимо применение электродов, специально предназначенных для сварки чугуна.

Можно сваривать чугунные изделия в холодном состоянии (без подогрева) с применением стальных электродов, изготовленных из низкоуглеродистой стали, но это требует больших усилий от сварщика и понимания им процессов, которые происходят в зоне сварки. Обусловлено этой свойствами чугуна. Металл после окончания сварки быстро охлаждается и это приводит к его хрупкости, что может вызвать появление трещин.

Сварка чугуна — технология сварка изделий из чугуна. Чугун является трудносвариваемый металлом. Он сваривается плавящимися или неплавящимися электродами с подогревом или без него. Чугун представляет собой сплав железа с углеродом. Содержание углерода в чугуне - около 2,14%. Углерод придаёт сплавам железа твёрдость, снижает пластичность и вязкость. Углерод в чугуне содержатся в виде цементита и графита.

Температура плавления чугуна — от 1 150 до 1 200 °C, что на 300 °C ниже, чем у чистого железа. Теплопроводность чугуна ниже, чем у сталей, коэффициент теплового расширения такой же. Электропроводность чугуна зависят от распределения включений графита.

При быстром охлаждении чугуна от температуры более 750°С металла, графит превращается в цементит, при это чугун превращается из серого в белый. Образуется закаленная структура с внутренними напряжениями, приводящими к трещинам.

рудности сварки чугуна обусловлены образованием трещин из-за включений графита; выгоранием углерода и образованием пор в шве; образованием тугоплавких окислов с температурой плавления выше, чем у чугуна; его высокая жидкотекучесть.

Чугун сваривается ручной дуговой сваркой плавящимися (ЦЧ-4) или неплавящимися (вольфрамовый, угольны, графитовый) электродами в подогревом или без него. Сварочные напряжения, возникающие в шве при охлаждении металла снимаются проковкой швов.

При холодной сварке чугуна используются железно-никелевые, медно-железные, железно-медно-никелевые электроды следующих марок:

· медно-железные электроды: ОЗЧ-2 и ОЗЧ-6;

· никелевые и железно-никелевые электроды: ОЗЖН-1, ОЗЧ-3, ОЗЧ-4;

· железно-медно-никелевые электроды: МНЧ-2.

При горячей сварке металл предварительно подогревается до 500—700°С. Используются чугунные электроды со стержнями марок А и Б — ОМЧ-1 и УЗТМ-74. Электроды должны быть большого диаметра — от 8 до 16 мм.

Для повышения качества шва при сварке чугуна проводится подогрев детали и ее медленное охлаждение после сварки.

 

Способы сварки чугуна

Сварка чугуна применяется в ремонтных целях и для изготовления сварнолитых конструкций. К сварным соединениям чугунных деталей в зависимости от типа и условий эксплуатации предъявляют требования по механической прочности, плотности (водонепроницаемость, газонепроницаемость) и обрабатываемости режущим инструментом. Обеспечить эти требования при сварке весьма сложно из-за физико-химических особенностей чугуна.

Трудности, возникающие при сварке чугуна, обусловлены, как правило, низкой стойкостью металла сварного соединении против образования трещин плохой его обрабатываемостью на механических станках.

Низкая стойкость основного металла и металла околошовной зоны против образования трещин характерна для чугуна пониженным запасом деформационной способности (пониженная прочность и пластичность).

Указанные особенности чугуна являются следствием нарушения сплошности его металлической основы включениями графита, а также склонностью его к отбелке и закалке даже при небольших скоростях охлаждения. Эти свойства чугуна определяются высоким содержанием углерода в нем.

Соединение чугунных деталей между собой выполняют газовой сваркой, пайкой, термитной сваркой, литейной сваркой, дуговой сваркой и электрошлаковой.

Сварку ведут без подогрева (холодный способ сварки),с местным подогревом и с общим подогревом всего изделия. Для дуговой сварки используют угольные, графитовые, стальные и легированные электроды, а также электроды из цветных металлов. Подготовку мест под сварку выполняют механическим путем или огневым способом. Для удержания расплавленного металла сварочной ванны (чугун жидкотекуч) применяют специальиые формовки. Назначение формовки — удерживать расплавленный металл. Формовочная масса имеет следующий состав: кварцевый песок, замешанный на жидком стекле 40%, формовочная земля 30% и белая глина 30%.

Подготовленная к сварке деталь подвергается общему или местному подогреву до температуры 350 — 450º С. Иногда для особо сложных деталей подогрев производят до температуры 550—600° С.

Сварку выполняют как на переменном, так и на постоянном токе. Величину тока подбирают из расчет 50—90 А на 1 мм диаметра электрода.

Особенности сварки меди

обусловлены ее физическими и химическими свойствами. Медь имеет температуру плавления 1080—1083°С. При температурах 300—500°С она обладает горячеломкостью. Жидкая медь растворяет кислород и водород. С кислородом она образует закись меди Cu₂O, температура плавления которой на 20° ниже температуры плавления чистой меди.

{\displaystyle {\mathsf {4Cu\ +\ O_{2}\ {\xrightarrow {>200\ ^{\circ }C}}\ 2Cu_{2}O}}}

Наличие закиси приводит к образованию горячих трещин после сварки. Проявление «водородной болезни меди» обусловлено тем, что при химическом соединении водорода с кислородом образуется стремящийся расшириться водяной пар, то, в свою очередь, приводит к трещинам в металле шва.

Медь имеет высокую тепло-^[1] и электропроводностью. Теплопроводность меди в 6—7 раз превышающей теплопроводность стали, она имеет также хорошую жидкотекучестью в расплаве.

Удельная электропроводность меди при 20 °C: 55,5-58 МСм/м^[2].

Свариваемость меди максимальна в отсутствии примесей. Примеси свинца, мышьяка и др. затрудняют сварку. При сварке медь не должна загрязняться примесями. Металлы в примеси с медью - хром, марганец, железо и др. способствуют повышению прочности шва.

Особенности сварки[править | править вики-текст]

Сварка меди и сплавов может проводиться газовой сваркой. При ручная дуговой сварке покрытыми электродами возможно загрязнение металла шва легирующими компонентами. Из-за большой теплопроводности меди при дуговой сварке надо применять больший ток.

Поскольку при сварке образуется закись меди, то сварку надо проводить быстро, со скоростью около 0,25 м/мин. Для сварки меди толщиной от 6 мм используют предварительный подогрев заготовок.

Особенности дуговой сварки трубопроводов из меди и медно-никелевого сплава. Основные типы, конструктивные элементы и размеры соединений из меди и медно-никелевого сплава

Особенности сварки алюминия и его сплавов связана с физическими и химическими свойства металла. Алюминий имеет малый удельный вес - 2, 7 г / см3, высокую электро- и теплопроводность, на его поверхности есть окисная пленка, имеющая высокую температуру плавления 2044°C, температура же плавления самого алюминия - около 660°C. Сплавы алюминия с марганцем, кремнием, магнием и медью обладают большей прочностью, чем сам алюминий.

Тугоплавкая пленка на каплях расплавленного металла, препятствует сплавлению металла, поэтому при сварке необходима защита от воздуха. Такой защитой может быть сварка алюминия в среде с аргоном.

Значительная жидкотекучесть алюминия затрудняет управление сварочной ванной. Для быстрейшего охлаждения металла необходимо использование теплоотводящих подкладок.

Сварочное соединение алюминия и его сплавов склонно к образованию кристаллизационных трещин, что обусловлено растворением в металле водорода. В сплавах алюминия трещины возникают из-за повышенного содержания кремния. Металл обладает большой усадкой, что является причиной деформаций при остывании заготовок.

Значительная теплопроводность алюминия требует применения сварочного тока, превосходящего в несколько раз ток при сварке сталей^[1].

Способы сварки[править | править вики-текст]

Сварка алюминия производится с разрушением оксидной пленки (очистка и обезжиривание) на его поверхности и защитой с помощью инертных газов. Перед сваркой металл подогревают. Подогрев металла проводится до температуры 250-300°С для заготовок средних толщин, и до 400°С - для толстых. Распространены следующие способы сварки:

· сварка вольфрамовым электродом в инертных газах (режим AC TIG);

· сварка полуавтоматами в среде инертных газов и автоматизированной подачей проволоки (режим DC MIG);

· сварка покрытыми плавящимися электродами без использования защитного газа (режим MMA).

Сразу после детали промываются водой, а со шва удаляется шлак.

Разнородная сварка[править | править вики-текст]

Алюминий можно сваривать с другими металлами. Особенности разнородной сварки металлов заключается в различии их температуры плавления, плотности, в коэффициентах линейного расширения. Процесс затруднен свойствами самого алюминия.

Сварка стали с алюминием и его сплавами выполняется аргонодуговой сваркой с вольфрамовым электродом. Перед сваркой кромки металлов очищаются и на них наносятся активирующее покрытие. Наиболее дешевое из них - цинковое. В качестве присадочного материала используется проволока марки АД1 из чистого алюминия с присадкой кремния.

Особенностью сварки алюминия со сталью является расположение сварочной дуги:при сварке встык дуга ведется по кромке алюминиевой детали, а присадка ведется по кромке стальной детали. При этом жидкий алюминий натекает на поверхность стали, покрытой цинком.

Основная трудность сварки титана — это необходимость надежной защиты металла, нагреваемого выше температуры 400 °C, от воздуха, так как на его поверхности под действием воздуха образуется оксидная пленка. Металл обладает высокой химической активностью по отношению к кислороду, азоту и водороду при его нагреве и расплавлении. Водород в небольшом количестве сильно ухудшает свойства титана.

К основным способам сварки титана и его сплавов относятся:

· дуговая сварка в среде инертных газов неплавящимся или плавящимся электродом;

· дуговая сварка титана под флюсом;

· электрошлаковая сварка;

· электронно-лучевая сварка;

· контактная сварка.

Дуговая сварка титана проводится в среде газа аргона или в его смесях с гелием. Сварку производят под местной защитой. Газ проходит через сопло горелки с насадками, увеличивающими зону защиты. С обратной стороны стыка свариваемых деталей устанавливают медные подкладные планки с канавкой, по длине которой равномерно подают аргон. При сложной конструкции деталей сварка проходит с общей защитой в специальных камерах с контролируемой атмосферой. Камеры могут представлять собой камеры-насадки для защиты части свариваемого узла, жесткие камеры из металла или мягкие камеры, сделанные из ткани и имеющими смотровые окна и встроенные рукавицы для рук сварщика. В камеры помещаются свариваемые детали, сварочная оснастка и горелка. Для крупных узлов применяют большие металлические камеры объёмом до 350 куб. м., в них устанавливают сварочные автоматы и манипуляторы. Из камеры откачивается воздух, она наполняются аргоном, через шлюзы в камеры входят сварщики в скафандрах и проводят сварку.

Титановые сплавы из-за высокой химической активности сваривают дуговой сваркой в инертных газах неплавящимся и плавящимся электродом, дуговой сваркой под флюсом, электронным лучом, электрошлаковой и контактной сваркой. Расплавленный титан жидкотекуч, его шов хорошо формируется при всех способах сварки.

Дуговую сварку титановых сплавов выполняют плавящимся электродом (проволока диаметром от 1,2 до 2,0 мм) на постоянном электрическом токе обратной полярности в режимах, обеспечивающих мелкокапельный перенос электродного металла. Защитной средой при этом является смесь - 20 % аргона и 80 % гелия или чистый гелий. При этом увеличивается ширина шва и уменьшается его пористость.

Титановые сплавы можно также сваривать дуговой сваркой под бескислородными фтористыми флюсами сухой грануляции марки АНТ1, АНТЗ для толщины 2,5...8,0 мм и марки АНТ7 для толстого металла. Сварка ведется с использованием электродной проволоки диаметром от 2,0 до 5,0 мм с вылетом электрода на 14 - 22 мм на медной подкладке или на флюсовой подушке. Структура металла сварного шва в результате модифицирующего действия флюса получается более мелкозернистой, чем при сварке титана в инертных газах.

 

Особенности сварки изделий из углеродистых стальных сплавов 6

Углеродистыми, как известно, называют такие стальные сплавы, содержание углерода в которых может варьироваться в пределах 0,1–2,07%. В зависимости от того, сколько углерода в своем составе содержат такие сплавы, они подразделяются на низко- (до 0,25%), средне- (0,25–0,6%), а также высокоуглеродистые (0,6–2,07%). Сварка низкоуглеродистых сталей, также как среднеуглеродистых и высокоуглеродистых, отличается определенными особенностями. Однако есть и общие правила осуществления такого процесса, которые позволяют получать качественные и надежные соединения изделий из углеродистых сталей.

Технологические особенности сварки углеродистых сталей

Чтобы обеспечить хорошую провариваемость корня шва при выполнении стыковых сварных соединений деталей, изготовленных из углеродистых сталей, данный процесс выполняют, держа соединяемые изделия на весу. Этой рекомендации стараются придерживаться при выполнении полуавтоматической сварки порошковой и обычной проволокой, а также при осуществлении газовой и ручной дуговой сварки, осуществляемой при помощи покрытых углеродов. При использовании для выполнения сварки углеродистых сталей автоматического оборудования стараются создать условия для обеспечения провариваемости корня шва и исключения такого явления, как прожоги металла.

 

Проблемы сварки углеродистых сталей и методы их решения

Однако, сварка углеродистых сталей затруднена по следующей причине: углерод, содержащийся в таких сталях, способствует образованию при сварке кристаллизационных горячих трещин и малопластичных закалочных образований и трещин в околошовных зонах. Металл самого шва отличается по свойствам от основного металла, а углерод снижает устойчивость швов к образованию трещин, усиливая отрицательное влияние серы и фосфора.

Критическое содержание углерода в шве зависит от:

· конструкции узла

· формы шва

· содержания в шве различных элементов

· предварительного подогрева участка шва

Соответственно, методы повышения устойчивости от образования горячих трещин направлены на:

· Ограничение элементов, способствующих образованию трещин

· Снижение растягивающих напряжений в шве

· Формирование оптимальной формы шва максимально однородного химического состава

Кроме того, повышенное содержание углерода способствует формированию малопластичных структур, которые под действием различных напряжений склонны к образованию холодных трещин и разрушению. Для предотвращения этого используются способы, исключающие факторы, способствующие возникновению таких условий.

При выполнении сварных соединений сталей с повышенным содержанием углерода для стойкости швов к образованию трещин следует соблюдать следующие условия:

· Применять сварочные электроды и проволоку с низким содержанием углерода

· Использовать режимы сварки и технологические меры, ограничивающие дрейф углерода из основного металла в сварочный шов (разделку кромок, увеличенный вылет, использование присадочной проволоки и пр.)

· Вводить элементы, способствующие образованию в шве тугоплавких или округлых сульфидных образований (марганца, кальция и т.д.)

· Использовать определенный порядок наложения швов, снижать жесткость узлов. Использовать другие режимы и методы, обеспечивающие снижение напряжений в сварочном шве

· Выбирать нужные формы шва и снижать его химическую неоднородность

· Минимизировать содержание диффузионного водорода (применять низко-водородные электроды, сушку защитных газов, очистку кромок и проволоки, прокаливать электроды, проволоку, флюсы)

· Обеспечивать медленное охлаждение сварочного шва (использовать многослойную, двухдуговую или многодуговую сварку, наплавку отжигающего валика, использовать экзотермические смеси и др.)

· Очистка материала

При сварке углеродистой стали основной металл очищается от ржавчины, грязи, слоя окалины, масла и прочих загрязнений, которые являются источниками водорода и способны образовывать поры и трещины в шве. Очищаются кромки с прилегающими участками металла шириной до 10 мм. Таким образом обеспечивается плавный переход к основному металлу конструкции и прочность шва при различных нагрузках.

· Сборка деталей под сварку. Разделка кромок

При сборке деталей под сварку обязательно соблюдается зазор, зависящий от толщины деталей. Ширина зазора на 1-2 мм больше, чем при сборке элементов хорошо свариваемых сталей. Разделку кромок следует проводить при толщине металла от 4 мм, что способствует уменьшению перехода углерода в шов. Поскольку высока склонность к закалке, от прихваток малого сечения следует отказаться или использовать перед прихватками предварительный локальный подогрев.

Технологические особенности сварки низкоуглеродистых сталей

 

Легированные стали подразделяются на низколегированные (легирующих элементов в сумме менее 2,5%), среднелегированные (от 2,5 до 10%) и высоколегированные (более 10%). Низколегированные стали делят на низколегированные низкоуглеродистые, низколегированные теплоустойчивые и низколегированные сред неуглеродистые Особенности сварки низколегированных сталей. Низколегированные стали сваривать труднее, чем низкоуглеродистые конструкционные. Низколегированная сталь более чувствительна к тепловым воздействиям при сварке. В зависимости от марки низколегированной стали при сварке могут образоваться закалочные структуры или перегрев в зоне термического влияния сварного соединения.

Структура околошовного металла зависит от его химического состава, скорости охлаждения и длительности пребывания металла при соответствующих температурах, при которых происходит изменение микроструктуры и размера зерен. Если в доэвтектоидной стали получить нагревом аустенит (рис. 100), а затем сталь охлаждать с различной скоростью, то критические точки стали снижаются.

Рис. 100. Диаграмма изотермического (при постоянной температуре) распада аустенита низкоуглеродистой стали: А - начало распада, Б - конец распада, A₁ - критическая точка стали, М_н и М_к - начало и конец превращения аустенита в мартенсит; 1, 2, 3 и 4 - скорости охлаждения с образованием различных структур

При малой скорости охлаждения получают структуру перлит (механическая смесь феррита и цементита). При большой скорости охлаждения аустенит распадается на составляющие структуры при относительно низких температурах и образуются структуры - сорбит, троостит, бейнит и при очень высокой скорости охлаждения - мартенсит. Наиболее хрупкой структурой является мартенситная, поэтому не следует при охлаждении допускать превращения аустенита в мартенсит при сварке низколегированных сталей.

Скорость охлаждения стали, особенно большой толщины, при сварке всегда значительно превышает обычную скорость охлаждения металла на воздухе, вследствие чего при сварке легированных сталей возможно образование мартенсита.

Для предупреждения образования при сварке закалочной мартенситной структуры необходимо применять меры, замедляющие охлаждение зоны термического влияния, - подогрев изделия и применение многослойной сварки.

В некоторых случаях в зависимости от условий эксплуатации изделий допускают перегрев, т. е. укрупнение зерен в металле зоны термического влияния сварных соединений, выполненных из низколегированных сталей.

При Высоких температурах эксплуатации изделий для повышения сопротивления ползучести (деформирование изделия при высоких температурах с течением времени) необходимо иметь крупнозернистую структуру и в сварном соединении. Но металл с очень крупным зерном обладает пониженной пластичностью и поэтому размер зерен допускается до известного предела.

При эксплуатации изделий в условиях низких температур ползучесть исключается и необходима мелкозернистая структура металла, обеспечивающая увеличенную прочность и пластичность.

Покрытые электроды и другие сварочные материалы при сварке, низколегированных сталей подбираются такими, чтобы содержание углерода, серы, фосфора и других вредных элементов в них было ниже по сравнению с материалами для сварки низкоуглеродистых конструкционных сталей. Этим удается увеличить стойкость металла шва против кристаллизационных трещин, так как низколегированные стали в значительной степени склонны к их образованию.

Технология сварки низколегированной стали. Низколегированные низкоуглеродистые стали 09Г2, 09Г2С, 10ХСНД, 10Г2С1 и 10Г2Б при сварке не закаливаются и не склонны к перегреву. Сварку этих сталей производят при любом тепловом режиме, аналогично режиму сварки низкоуглеродистой стали.

Для обеспечения равнопрочности соединения ручную сварку выполняют электродами типа Э50А. Твердость и прочность околошовной зоны практически не отличаются от основного металла.

Сварочные материалы при сварке порошковой проволокой и в защитном газе подбирают такими, чтобы обеспечить прочностные свойства металлу шва на уровне прочности, достигаемой электродами типа Э50А.

Низколегированные низкоуглеродистые стали 12ГС, 14Г, 14Г2, 14ХГС, 15ХСНД, 15Г2Ф, 15Г2СФ, 15Г2АФ при сварке могут образовывать закалочные микроструктуры и перегрев металла шва и зоны термического влияния. Количество закаливающихся структур резко уменьшается, если сварка выполняется с относительно большой погонной энергией, необходимой для уменьшения скорости охлаждения сварного соединения. Однако снижение скорости охлаждения металла при сварке приводит к укрупнению зерен (перегреву) металла шва и околошовного металла вследствие повышенного содержания углерода в этих сталях. Это особенно касается сталей 15ХСНД, 14ХГС. Стали 15Г2Ф, 15Г2СФ и 15Г2АФ менее склонны к перегреву в околошовной зоне, так как они легированы ванадием и азотом. Поэтому сварка большинства указанных сталей ограничивается более узкими пределами тепловых режимов, чем сварка низкоуглеродистой стали.

Режим сварки необходимо подбирать так, чтобы не было большого количества закалочных микроструктур и сильного перег