2804.Сварка плавлением

условиями остывания сварной конструкции и термообработкой. При сварке низкоуглеродистой стали металл шва незначительно отличается по составу от основного металла. Это отличие в основном сводится к снижению содержания в металле шва углерода (так как металл электродного стержня или электродной проволоки содержит меньше углерода, чем основной металл) и повышению содержания марганца и кремния.

Снижение прочности металла шва вследствие уменьшения содержания в нем углерода при дуговой сварке полностью компенсируется за счет увеличения скорости его остывания и легирования металла через проволоку, покрытие или флюс марганцем

икремнием. В сварочной практике обеспечение равнопрочности металла шва при дуговой сварке низкоуглеродистой стали не вызывает затруднений. При электрошлаковой сварке для обеспечения равнопрочности металла шва с основным металлом обычно применяют низколегированную проволоку марки Св-10Г2.

Изменение скорости остывания вызывает изменение количества и строения перлитной фазы, что существенно сказывается на механических свойствах металла шва. Увеличение скорости остывания приводит к возрастанию предела текучести и временного сопротивления и снижению относительного удлинения и относительного сужения металла шва. Под влиянием скорости остывания изменяется также ударная вязкость металла шва. Увеличение скорости остывания приводит к уменьшению ударной вязкости при комнатной температуре. Однако критическая температура перехода в хрупкое состояние практически не изменяется.

Скорость остывания металла шва определяется толщиной свариваемого металла, режимом сварки и начальной температурой изделия.

Изменение механических свойств металла шва связано не только со скоростью остывания, но и с пластической деформацией, возникающей в нем под воздействием сварочных напряжений

ивызывающей заметное повышение предела текучести.

Влияние скорости остывания в наибольшей степени проявляется при дуговой сварке однослойных угловых швов, а также

41

последнего слоя многослойных стыковых и угловых швов на толстом металле при перерыве между наложением отдельных слоев, во время которого металл шва предыдущего слоя успел остыть до температуры окружающей среды. При однослойной сварке стыковых швов с увеличением толщины основного металла для обеспечения полного провара соединяемых деталей необходимо увеличить силу тока. В связи с этим скорость остывания металла шва с увеличением толщины основного металла изменяется мало.

Металл многослойного шва, особенно при сварке покрытыми электродами, обладает более низкой критической температурой перехода в хрупкое состояние, чем металл однослойного шва. Это связано в основном с измельчением структуры металла шва под воздействием теплоты, выделяемой при наложении последующих слоев. Термическое воздействие повторного нагрева сходно с воздействием, оказываемым нормализацией.

Для получения при дуговой сварке металла шва, не уступающего по пластическим свойствам основному металлу, сечение углового шва или слоя при многослойной сварке следует назначать в зависимости от толщины свариваемого металла. Зависимость между толщиной металла и режимом сварки, при котором обеспечивается необходимая пластичность металла шва, устанавливается опытным путемиопределяетсявидомиспособомсварки.

Механические свойства металла околошовной зоны при сварке низкоуглеродистых сталей претерпевают некоторые изменения по сравнению со свойствами основного металла. Характер этих изменений зависит от конкретных условий сварки. При всех видах дуговой сварки изменение свойств основного металла сводится к его незначительному упрочнению в зоне перегрева.

Металл околошовной зоны охрупчивается более интенсивно при сварке многослойными швами, чем при однослойной сварке. Это связано с многократно протекающими процессами старения. Конструкции из низкоуглеродистой стали в некоторых случаях подвергают термообработке после сварки. Задача термообработки обычно сводится к снятию сварочных напряжений (для чего

42

проводят высокий отпуск конструкции) или к выравниванию свойств и улучшению структуры отдельных участков сварного соединения. Для этого проводят нормализацию конструкции (нагрев до температуры 900–940 °С, остывание на воздухе) с последующим высоким отпуском.

Швы, сваренные на низкоуглеродистых сталях всеми видами

испособами сварки плавлением, обладают вполне удовлетворительной стойкостью к образованию кристаллизационных трещин, что обусловливается низким содержанием в основном металле и, следовательно, в металле шва углерода. Однако при сварке низкоуглеродистой стали, содержащей углерод по верхнему пределу (0,21–0,25 %), возможно образование кристаллизационных трещин главным образом в угловых швах, первом слое многослойного стыкового шва, односторонних швах с полным проваром кромок и первом слое стыкового шва, сваренного с обязательным зазором. Трещины в этих случаях в большинстве своем связаны с неблагоприятной формой провара и повышенным содержанием углерода. Низкоуглеродистая сталь сваривается практически всеми видами и способами сварки плавлением.

Низколегированные стали ведут себя при сварке так же, как

инизкоуглеродистые стали, но имеются отличия при действии термических циклов:

1.Бóльшая склонность к росту зерна в околошовной зоне, особенно при перегреве.

2.Бóльшая склонность к подкалке при повышенных скоростях остывания.

3.Более низкая стойкость металла шва к образованию горячих трещин из-за наличия легирующих элементов.

4.Чувствительность к концентраторам напряжений и даже к тепловым «ожогам».

Эта группа сталей (низколегированных) при сварке имеет незначительное отличие от низкоуглеродистых сталей. Оно заключается в правильном выборе электродов, флюсов и присадочного

43

электродного материала, с учетом прочностных характеристик стали, ивуменьшениипогоннойтепловойэнергии присварке.

Успешно выполняется сварка под флюсом, в защитных газах и электрошлаковая.

Низколегированные жаропрочные стали сваривают в основном электродами или сплошной (специальной) сварочной проволокой в защитных газах – чаще в смесях аргона (90 %) и углекислого газа (10 %).

Из жаростойких сталей, как правило, изготовляют конструкции сложной конфигурации в теплоэнергетике, химнефтегазовой отрасли и т.д., где очень редко используется автоматическая и электрошлаковая сварка.

При сварке жаропрочных сталей подогрев считается обязательным при толщине более 10 мм. При сварке жестких конструкций, например труб, подогрев до 200 ºС считается совершенно необходимым. При сварке хромомолибденовых сталей технологический процесс еще сложнее, так как после сварки необходима термообработка в виде нормализации и высокого отпуска. После термообработки жаропрочная сталь может находиться на уровне равнопрочности. Погонная энергия ограничена. Начало и конец шва должны быть на технологических планках, а не на изделии. Для низколегированных и среднелегированных сталей технологические рекомендации одинаковы. Хромистые и хромоникелевые стали очень чувствительны к нагреву. В интервале температур 400–900 ºС в этих сталях происходит образование карбидов хрома – химического соединения хрома с углеродом, поэтому содержание хрома уменьшается, сталь теряет антикоррозийные свойства. Хром способен легко окисляться, образовывая тугоплавкий шлак и затрудняя сварку. Хромистые и хромоникелевые стали имеют низкую теплопроводность, и этим объясняется их большая склонность к короблению. Особенно важно в процессе сварки равномерно и симметрично распределять по всему изделию малыми дозами тепловложение от сварочной дуги, тогда не будет перегревов и деформаций. Порядок, последовательность и

44

направление небольших по протяженности швов должны быть четко указаны в технологическом процессе.

Сварку хромистых безникелевых нержавеющих сталей ведут на мягких тепловых режимах, с малой скоростью охлаждения сварного соединения. Для сварки применяют электроды с фтори- сто-калиевыми покрытиями. Сварку ведут на постоянном токе при обратной полярности. При сварке хромистых сталей большой толщины (15–10 мм) применяют предварительный и сопутствующий подогрев до 300–350 ºС, а после сварки – термическую обработку, отпуск при температуре 700–720 ºС.

Сварка хромоникелевых сталей ведется так, чтобы не было перегреваосновногометаллаибольшогообъемасварочнойванны.

Сварочный ток по возможности пониженный. Дуга короткая, сварка без поперечных колебательных движений, многослойными швами. Необходимо жестко закреплять детали, чтобы предотвратить коробление свариваемого изделия. Оптимальная скорость охлаждения хромоникелевых и, в особенности, хромистых сталей для создания благоприятной структуры шва и околошовной зоны должна быть 3,0–5,0 ºС/с. При этом пригодны любые технологические способы, позволяющие тормозить скорость охлаждения.

Особенности сварки среднелегированных сталей

В зависимости от типа конструкции и ее назначения к сварным соединениям из среднелегированных сталей предъявляются требования необходимой и достаточной прочности в условиях эксплуатации, плотности, а также некоторые специальные требования (коррозионная стойкость, стойкость к взрывным нагрузкам и т.п.). В связи с особыми физико-химическими свойствами среднелегированных сталей выполнение этих требований является достаточно сложной задачей. Восприимчивость среднелегированных сталей к закалке, а также высокий уровень механических свойств обусловливают ряд специфических трудностей, возникающих при их сварке.

45

Первой трудностью, наблюдающейся при сварке среднелегированных сталей, особенно с повышенным содержанием угле-

рода и легирующих элементов, является предупреждение возникновения холодных трещин в околошовной зоне и в металле шва. Низкая сопротивляемость околошовной зоны среднелегированных сталей образованию холодных трещин определяется особенностями происходящих в них структурных превращений, обусловленных концентрированным местным нагревом металла вплоть до температур плавления, а также резким отличием в некоторых сварных соединениях химического состава металла шва от состава околошовной зоны.

Можно утверждать, что во всех случаях сварки среднелегированных сталей, содержащих свыше 0,15 % углерода, следует предусматривать меры, обеспечивающие повышение стойкости сварных соединений к образованию холодных трещин. Задача рационального технологического процесса при сварке среднелегированных сталей сводится прежде всего к тому, чтобы наиболее простыми приемами обеспечить высокую стойкость металла околошовной зоны и металлашвакобразованиюхолодныхтрещин.

Второй трудностью сварки среднелегированных сталей является предупреждение возникновения кристаллизационных трещин в металле шва. Методы предупреждения кристаллизационных трещин при сварке среднелегированных сталей мало отличаются от применяющихся при сварке углеродистых сталей. Для этого снижают содержание в шве серы, углерода и других элементов, уменьшающих стойкость металла шва к образованию кристаллизационных трещин, и повышают содержание таких элементов, как марганец, хром и др., увеличивающих стойкость металла шва к образованию кристаллизационных трещин.

Третья трудность состоит в необходимости получения металла шва, околошовной зоны и сварного соединения в целом с механическими свойствами, равноценными или близкими к свой-

ствам основного металла. Поскольку для повышения стойкости

46

металла шва к образованию холодных и кристаллизационных трещин ограничивает содержание в нем углерода и некоторых легирующих элементов, достигнуть равноценности шва с основным металлом в общем случае весьма затруднительно. Литой металл шва в отличие от катаных и кованых заготовок не подвергается обработке давлением – эффективному средству создания благоприятной структуры и повышения механических свойств металла. В ряде случаев возникают серьезные затруднения с обеспечением надлежащих прочностных и пластических свойств металла, околошовной зоны и зоны сплавления.

Большие трудности могут возникнуть при электрошлаковой сварке сталей, склонных к перегреву. Для устранения последствий перегрева в околошовной зоне в таких случаях приходится разрабатывать специальные режимы термообработки, усложняющие изготовление сварной конструкции, или применять менее производительные методы сварки.

Особые трудности возникают, если сварные соединения среднелегированных сталей вовсе нельзя подвергать термообработке, например сварные соединения судов и других крупных сооружений, а также если вместо требуемой закалки с последующим отпуском приходится применять только отпуск. В подобных случаях прибегают к ряду особых технологических приемов. Для решения этих задач технолог должен правильно выбрать режимы сварки и сварочные материалы. Из всех перечисленных затруднений, возникающих при сварке среднелегированных сталей, наиболее серьезным и специфичным является предотвращение образования холодных трещин.

Технологические методы предупреждения образования холодных трещин в сварных соединениях среднелегирован-

ных сталей. Для предупреждения возникновения холодных трещин в сварных соединениях среднелегированных сталей тех- нолог-сварщик располагает рядом методов. Рассмотрим их последовательно.

47

Выбор среднелегированных сталей для сварных конструк-

ций. Для сварных конструкций следует применять марки сталей, обладающие требуемыми механическими свойствами при возможно более низком содержании углерода и легирующих элементов, повышающих восприимчивость стали к закалке. Следует также ограничивать содержание этих элементов в металле шва. Первостепенное влияние углерода на образование холодных трещин обусловлено тем, что он во многом определяет положение температурного интервала мартенситного превращения аустенита, в свою очередь определяющего как вероятность зарождения холодных трещин, так и их развитие.

Регулирование термического цикла сварки. Регулировать сварочный термический цикл можно путем изменения режима сварки. Для большинства марок среднелегированных сталей определение оптимальных режимов сварки позволяет резко повысить стойкость сварных соединений к образованию холодных трещин и в ряде случаев полностью устранить их возникновение. Идеальный термический цикл обеспечивает наиболее высокую стойкость сварного соединения к образованию холодных трещин. Практическое осуществление циклов, близких к идеальному, при дуговой сварке сопряжено с применением малопроизводительных режимов сварки, предварительного, сопутствующего и последующего подогревов. Следовательно, осуществление идеального цикла требует больших затрат труда и средств. При электрошлаковой сварке этот цикл вовсе неосуществим. В практике термические циклы, близкие к идеальным, применяют редко. Задача технолога-сварщика состоит в том, чтобы изыскать более производительные и менее дорогие методы борьбы с холодными трещинами, чем получение идеального термического цикла сварки. Для повышения стойкости сварных соединений к образованию холодных трещин необходимо замедлять охлаждение сварного соединения ниже точки А1 с целью смещения превращения переохлажденного аустенита в область высоких температур, а также предупреждать развитие перегрева в околошовной зоне и

48

возникновение грубой столбчатой структуры в металле шва. Наиболее просто и экономично можно замедлить охлаждение ниже точки А1, применяя мощные источники нагрева и низкие скорости сварки. Однако при этом развивается перегрев металла в околошовной зоне, а первичная структура металла шва становится более грубой. Кроме того, не всякое замедление обеспечивает получение в сварных соединениях необходимой вторичной структуры, повышающей стойкость соединения к образованию холодных трещин.

Влияние термического цикла на стойкость к образованию холодных трещин следует определять с учетом особенностей превращения переохлажденного аустенита в металле сварного соединения. Рассмотрим термокинетические диаграммы, описывающие превращение аустенита при непрерывном охлаждении для двух типов среднелегированной стали – I и II. Сталь I отличается от стали II пониженной восприимчивостью к закалке и повышенной стойкостью к образованию трещин при сварке. Термокинетические диаграммы строят в координатах время – температура превращения. В этих координатах наносят семейство кривых охлаждения и на каждой кривой отмечают точки, соответствующие началу и концу превращения в каждой из характерных областей. Соединение этих точек линиями позволяет ограничить области превращения аустенита при непрерывном охлаждении. Ход превращения изучают дилатометрическим или магнитометрическим методом в сочетании с металлографическим исследованием образцов, подверженных закалке с определенной температуры. В последнее время для этой цели успешно применяют также метод высокотемпературной металлографии. Следовательно, повышение погонной энергии сварки обычно целесообразно в случае сварки сравнительно низколегированных сталей типа I. При этом замедление охлаждения ниже точки А1 сопровождается благоприятными изменениями в ходе превращения переохлажденного аустенита, т.е. приводит к образованию структуры металла, способствующей повышению стойкости свар-

49

ных соединений к образованию трещин. Для сталей типа I благоприятное влияние этих изменений преобладает над отрицательным влиянием, обусловленным развитием перегрева при повышении погонной энергии сварки. Для сталей типа II повышение погонной энергии сварки может быть даже вредным. Благоприятных структурных изменений, обусловленных смещением превращения переохлажденного аустенита в область высоких температур, при этом может не быть, а отрицательное влияние перегрева проявится более резко. Для сталей типа II целесообразны только режимы сварки, обеспечивающие значительно замедленное охлаждение сварных соединений в области температуры ниже точки А1 (например, при электрошлаковой сварке), когда и в этих сталях происходит смещение превращения переохлажденного аустенита в область более высоких температур и получает особо существенное развитие самоотпуск мартенсита непосредственно в процессе охлаждения соединения.

В рассматриваемом случае процесс самоотпуска развивается вследствие значительного замедления охлаждения соединения при температурах порядка 300–150 °С. Длительность пребывания сварного соединения при температурах 300–150 °С в случае однопроходной электрошлаковой сварки в десятки раз больше, чем в случае дуговой многослойной сварки толстого метала.

Цели работы:

1.Изучить влияние параметров режимов сварки углеродистых сталей в аргоне на качество, форму шва и производительность процесса.

2.Освоить принцип работы роботизированного комплекса для сварки в смеси защитных газов и технологию выполнения сварочного процесса.

Оборудование, материалы, инструмент:

1)пост для сварки в защитных газах (роботизированный комплекс Fanuc);

2)пластина из низкоуглеродистой стали (Сталь 20);

50