книги / Сварка в машиностроении. Т. 2

Для получения качественных сварных соединений конструкционных сталей больших толщин (до 80— 100 мм) применяют импульсно-дуговую сварку плавя­ щимся электродом в щелевой зазор между кромками. При этом устанавливают зазор 10—12 мм с помощью соответствующего притупления кромок. Диаметр проволоки 1,6—2,0 мм. При толщине металла более 50—60 мм сварку ведут

сдвух сторон. Зазор заполняют послойно со скоростью 25—30 м/ч с «шелом слоев

взависимости от толщины металла. В качестве защитного газа может быть ис­ пользован аргон или смесь аргона с углекислотой. Многослойная сварка в щеле- нидную разделку обеспечивает раздробленную структуру металла шва с отсутст­ вием грубых дендритов и малую протяженность зоны термического влияния.

ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ СВАРКА

Электронно-лучевую сварку (ЭЛС) выполняют в герметичных камерах с вакуумом 1СГ4—КГ5 мм рт. ст. 15]. Высокая концентрация мощности в электрон­ ном пучке в сочетании с идеальными защитными свойствами вакуума позволяет получить сварные соединения с узкой зоной термического влияния и малыми деформациями без обогащения металла шва вредными примесями. При сварке деталей из конструкционных сталей обеспечивается большая глубина проплав­ ления (до 30—60 мм) и, следовательно, высокая производительность процесса при изготовлении конструкций из толстолистовых заготовок. ЭЛС применяют для соединений в труднодоступных мостах или в случае, когда требуется только присущее электронно-лучевой сварке глубокое и узкое проплавление с мини­ мальными размерами зоны термического влияния и минимальными деформа­ циями.

Легированные высокопрочные стали различных марок при толщине до 25— 30 мм можно сваривать электронным лучом за один проход без предваритель­ ного подогрева. ЭЛС можно сваривать за один проход стали различной толщины.

предварительно закаленных элементов без последующей термической обработки следует применять высоковольтные установки с ускоряющим напряжением 100—150 кВ, имеющие поверхностную плотность теплового потока 107—109 Вт/сма и выходную мощность до 3 кВт [5, 13, 14].

Швы, сваренные при большой скорости с применением высоковольтных источников, в закаленном состоянии имеют зону разупрочнения 0,2—0,5 мм, что не снижает прочность сварного соединения. В этом случае мягкая отожжен­ ная зона как бы «поддерживается» более прочным основным металлом и прочной зоной металла шва, из-за чего разрушение происходит по основному неразупрочценному металлу.

Режимы и погонная энергия сварки, прочность и степень разупрочнения сварных соединений стали 42Х2ГСНМА (ов ^ 200 кге/мм2; ô = 4,5 мм) приве­ дены в табл. 17.

При ЭЛС высокопрочной стали 42Х2ГСНМ ( 0 = 2 мм) остаточные напряже­ ния по абсолютной величине не превышают 8 кгс/мм2, вследствие чего они не могут вызвать заметных деформаций или замедленного разрушения конструкции.

К трудностям ЭЛС среднелегированных сталей средних и больших толщин относится их чувствительность к повышенному содержанию в основном металле углерода, легирующих элементов и газов, в частности кислорода. Например, при сварке сталей толщиной более 30 мм с содержанием более 0,2% С в швах возникают кристаллизационные трещины. Если содержание кислорода в стали превышает 0,02%, ЭЛС становится невозможной из-за повышенного разбрызги­ вания жидкого металла и образования пор в шве.

При ЭЛС толстолистовых изделий (более 20 мм) из конструкционных ста­ лей при неоптимальных режимах и технологии сварки наблюдаются дефекты, нс встречающиеся при дуговой сварке: пустоты в корне шва (холодные затворы), полости большой протяженности в литом металле (паровые мешки) и узкие щели вдоль оси шва (горячие трещины) [9]. Для устранения дефекта в корне шва реко­ мендуется уменьшать концентрацию мощности в электронном пучке, например путем его расфокусировки до определенных пределов (е < 105 Вт/см2). Однако при этом увеличивается ширина и уменьшается глубина шва, что не всегда жела­ тельно. Более эффективно вывести дефект в корке шва в подкладку с после­ дующим ее удалением. Дефекты в виде полостей в металле шва устраняют при скорости сварки ниже некоторого предела. Например, при сварке низкоугле­ родистых сталей толщиной до 40 мм электронным ‘пучком мощностью 15 кВт паровые мешки исчезают при уменьшении скорости сварки ниже 25 м/ч.

Вероятность образования горячих трещин уменьшается при улучшении условий подпитки жидким металлом в процессе усадки ванны при ее кристалли­ зации. Этому способствует клинообразная форма шва с расширением вверху и увеличение радиуса кривизны фронта кристаллизации в хвостовой части ванны. Подобный шов образуется при фокусировке пучка у нижней поверхности сваривае­ мых листов или еще ниже, а хвостовая часть ванны становится более округлой при замедлении процесса сварки (до 10 м/ч при толщине металла 70 мм) [7].

ТОЧЕЧНАЯ И РОЛИКОВАЯ СВАРКА

Точечной и роликовой сваркой можно соединять детали и узлы из низко­

0,3 -f- 0,3 -г 3 -(- 3 мм.

Д ля сталей 30ХГСНА, 30Х2ГСНВМ, 42Х2ГСНМА, 28ХЗСНМВФА, 42Х2ГСНМ и близких им по составу точечную и роликовую сварку не приме­ няют.

Соотношение толщин свариваемых деталей должно быть не выше 2 : 1; 3 1. При больших соотношениях толщин не обеспечивается надежность и стабиль­ ность размера ядра и механических свойств сварнык соединений. Роликовую сварку деталей толщиной свыше 1,5 мм рекомендуется производить с прерыви­ стым (шаговым) вращением роликов.

Детали следует соединять не менее чем в двух точках. Детали, предназна­ ченные для сварки, должны быть очищены от жира, масел, окислов и других загрязнений на ширину, соответствующую размеру нахлестки. При сборке не раз­ решается грубая подгонка деталей с образованием хлопунов и больших зазоров. Ориентировочные режимы точечной и роликовой сварки указаны в табл. 19 и 20.

При сварке закаленных сталей рекомендуется использовать плавное нара­ стание тока в первом импульсе или перед первым сварочным импульсом произ­ водить подогрев дополнительным импульсом тока. Усилие сжатия электродов следует увеличить на 15—20%, а длительность первого импульса до 30—40%. Допускается применять один сварочный импульс, если узел подвергают после сварки термической обработке.

10. Ориентировочные режимы точечной сварки сталей ЗОХГСА, 1 2 Г2 А, 23Х2НВФА и 45

При роликовой сварке закаливающихся сталей наружное охлаждение не до­ пускается. Сварку рекомендуется производить за один проход. В случае обрыва шва сварку следует начинать за пять-десять точек раньше места обрыва. Замы­ кание кольцевых и круговых швов производят с перекрытием не менее чем пятью точками. Продольные и поперечные роликовые швы в местах их пересечения для обеспечения герметичности рекомендуется повторно сваривать на точечных или роликовых машинах; при этом сварочный ток должен быть увеличен на 20— 25% по сравнению с номинальным.

Повторную сварку производят по любому из пересекающихся швов на длине не менее десяти точек Уступ нахлестки в месте пересечения должен быть выпол­ нен на «ус».

ГАЗОВАЯ И АТОМНО-ВОДОРОДНАЯ СВАРКА

Газовую и атомно-водородную сварку применяют преимущественно при сварке трубчатых тонкостенных конструкций, при приварке косынок и других детален короткими угловыми швами и т. п. Качество сварных соединений, выпол­ ненных газовой и атомно-водородной сваркой, уступает качеству соединений при других методах сварки, например аргонодуговой. Применять газовую и атомноволоролную сварку для высокопрочных сталей ЗОХГСНА, 28ХЗСНМВФА, 30Х2ГСНВМ и др. не рекомендуется.

Марки присадочной проволоки и механические свойства сварных соединений приведены в табл. 21.

Список литературы

1. Каховский Н. И., Фартушный В. Г., Ющенко К. А. Электродуговая сварка сталей. Справочник. Киев, «Наукова думка», 1975. 480 с.

2. Кудрявцев П. И. Остаточные сварочные напряж ения и прочность соединений. М., «Машиностроение», 1964, 382 с.

3.Лахтин Ю. М. Металловедение и термическая обработка. М., «Металлургия», 1976. 406 с.

4.Макара А. М., Малевский Ю. Б. Особенности распада переохлажденного аусте­

В.Н. Крюковский и др.

13.Справочник по сварке. Т. 4. М., «Машиностроение», 1971. 415 с. Авт.: А. И. Any-

В.В. Баженов, Г. А. Бельчук и др.

14.Технология электрической сварки металлов и сплавов плавлением. М., «Маши­

ностроение», 1974. 767 с. Авт.: Б. Е. Патон, Г. И. Лесков, Г. 3. Волошкевич и др.

15.Федоров В. Г., Шуваева Н. А. Влияние содержания углерода и водорода в свар­ ных соединениях сталей на сопротивляемость образованию холодных трещин. — «Сва­ рочное производство», 1976, № 3, с. 22—23.

16.Фролов В. В. Поведение водорода при сварке плавлением. М., «Машинострое­ ние», 1966. 154 с.

17.Электроды для дуговой сварки и наплавки. Каталог. Киев, «Наукова думка», 1967. 440 с.

Г л а в а 7

СВАРКА ТЕПЛОУСТОЙЧИВЫХ СТАЛЕЙ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СВАРИВАЕМОСТИ

Теплоустойчивыми называют стали, предназначенные для длительной работы при температуре до 600ü С. Эти стали используют при изготовлении энергети­ ческих и нефтехимических установок. В соответствии с условиями длительной работы под напряжением при высоких температурах теплоустойчивые стали долж­ ны обладать сопротивлением ползучести, длительной прочностью, стабильностью свойств во времени и жаростойкостью. Перечисленные свойства в условиях эко­ номичного легирования достигаются применением хромомолибдеиовых и хромо­ молибденованадиевых сталей перлитного класса. Хромомолибденовые стали 12МХ, 15ХМ, 20ХМЛ и 15Х5М с ферритно-перлитной структурой используют для работы при 500—550° С, а хромомолибденоЙнадиевые стали 12Х1МФ, 15Х1М1Ф, 20ХМФЛ, 15Х1М1ФЛ и 12Х2МФСР — для работы при 550—580° С. Более высокие жаропрочные свойства хромомолибденованадиевых сталей обус­ ловлены не только стабилизацией карбидной фазы ванадием, но и применением упрочняющей термической обработки на бейнитную структуру.

Сварка теплоустойчивых сталей сопровождается изменением свойств сва­ риваемого металла, связанным с его расплавлением и кристаллизацией при обра­ зовании шва, а также структурными изменениями и упругопластическими деформациями в околошовной зоне. Это обусловливает физико-химическую неод­ нородность сварных соединений и образование местного сложнонапряженного состояния, что в некоторых случаях ухудшает работоспособность и уменьшает эксплуатационную надежность конструкций.

Металлургическая свариваемость теплоустойчивых сталей, определяемая отношением металла к плавлению, металлургической обработке и последующей кристаллизации шва, не вызывает существенных осложнений. Технология сварки и сварочные материалы на современном уровне обеспечивают необходимую стойкость металла швов против образования горячих трещин и высокие характеристики их работоспособности, отвечающие требованиям, предъявляемым к основному металлу. Тепловая же свариваемость осложняется охрупчиванием металла в ре­ зультате образования -метастабильных структур в участках околошовной зоны, нагретых выше температуры Ас3, и разупрочнением в участках, нагретых в интер­ вале температура Ас3 — температура отпуска стали. Образование хрупких струк­ турных составляющих (троостита, мартенсита), а также су ммирование напряжений, вызванных неравномерным нагревом и структурными превращениями, могут исчер­ пать пластичность металла и вызвать разрушение конструкции в период ее изго­ товления. Для предотвращения образования холодных трещин необходимо ис­ пользовать сопутствующий сварке нагрев, а иногда и выдержку сварных соеди­ нений при определенной температуре после окончания сварки.

Эксплуатационная надежность конструкций из металла повышенной тол­ щины может быть обеспечена лишь после стабилизации структуры и снятия напряжений путем отпуска сварных соединений. При этом температура отпуска сварных соединений хромомолибденовападиевых сталей должна быть не ниже 700° С, так как выпадение дисперсных карбидов ванадия из твердого раствора при низких температурах отпуска приводит к охрупчиванию металла околошов­ ной зоны и возникновению локальных разрушений сварных соединений при отпуске или в процессе эксплуатации конструкций.