Свариваемость материалов

содержанием марганца прочность на 10— 15 % выше, чем у стали ВСтЗ. Кроме того, сталь марки ВСтЗГ обладает повышенным сопротивлением за­ рождению и распространению трещин.

Приведенные в табл. 7.1 показатели отражают уровень механических

Ударная вязкость. Важным показателем сталей, особенно применяемых для конструкций, эксплуатируемых при пониженных температурах, является ударная вязкость. Регламентируемые требования по ударной вязкости при­ ведены в табл. 7.1.

Применение таких видов термообработки, как нормализация и в особен­ ности термическое упрочнение, позволяет повысить в 1,5—2,5 раза уровень ударной вязкости углеродистых сталей.

7.4. Свариваемость сталей

7.4.1. Требования к свойствам сварных соединений

Основными требованиями, которые предъявляются к свойствам

в зоне термического влияния. К сварным соединениям ответ­ ственных конструкций предъявляются дополнительные требо­ вания по ударной вязкости. Например, в соответствии с ОСТ 291—81, значения KCU сварных соединений при температуре 20 °С должны составлять не менее 0,5 МДж/м2, а при темпера­

определяются параметрами термического цикла сварки — ско­ ростью нагрева (wH) t длительностью пребывания выше темпе­ ратуры интенсивного роста зерна аустенита при нагреве т' и охлаждении х", скоростью до8_ 5 и длительностью тв- 5 охлажде­ ния в интервале температур распада аустенита, соответствую­ щего 800-500 °С.

Для анализа кинетики фазовых превращений в сталях при сварке используют анизотропические диаграммы превращения аустенита. Одна из таких диаграмм представлена на рис. 7.1, а. На рис. 7.1,6 показана структурная диаграмма той же стали.

С помощью этих диаграмм определяют характеристические длительности охлаждения до появления в структуре отдельных структурных составляющих. Сопоставляя их значения со зна­ чениями длительности т8- 5 для заданного вида сварки, опреде­ ляют ожидаемый структурный состав металла в зоне термиче­ ского влиянии сварных соединений.

7.4.3. Типы структур в шве и зоне термического влияния

Металл шва и зоны термического влияния (ЗТВ) сварных со­ единений имеют, как правило, феррито-перлитную структуру, так как реализуемые при получивших распространение видах сварки значения т8_ 5 оказываются большими, чем величина Тф.

В отдельных участках сварного соединения структура отли­ чается по соотношению структурных составляющих, по харак­

а следовательно, от размера исходного зерна аустенита и усло­ вий его охлаждения возможно образование следующих разно­ видностей феррита. При медленном охлаждении из аустенита образуется полиэдрический феррит, а при быстром — игольча­ тый феррит. Крупнозернистый аустенит сталей, содержащих 0,08—0,04 % углерода, при относительно быстром охлаждении распадается с образованием видманштеттового феррита. Появ­ ление в структуре металла шва и ЗТВ видманштеттового фер­ рита определяется относительно небольшой удельной поверх­ ностью границ и повышенной химической однородностью крупнозернистого аустенита, что наиболее характерно для тер­ мических циклов электрошлакового процесса сварки с низким уровнем интенсивности нагрева и охлаждения и длительным пребыванием металла в интервале температур интенсивного роста зерна аустенита.

Перлит — смесь феррита с цементитом — характеризуется такими параметрами, зависящими от интенсивности охлаждения в процессе у-^а-перехода, как межпластиночное расстояние и размер колоний. Зародыши цементита появляются в обогащен­ ных углеродом участках уФ азы» на границах бывшего зерна

аустенита, на нерастворившихся карбидных частицах. Сниже­ ние температуры образования перлита, вызванное увеличением интенсивности охлаждения, приводит к образованию собст­ венно перлита (межпластиночное расстояние 0,5—0,7 мкм), сорбита (межпластиночное расстояние 0,3—0,4 мкм) и троостита (межпластиночное расстояние 0,1—0,2 мкм).

7.5. Технология сварки и свойства сварных соединений

Низкоуглеродистые стали имеют благоприятные показатели свариваемости и при соблюдении определенных условий могут быть сварены всеми видами сварки, имеющими промышленное значение [1]. При этом сварные швы обладают необходимой стойкостью против образования кристаллизационных трещин вследствие пониженного содержания углерода. Образование кристаллизационных трещин возможно лишь в случае неблаго­ приятной формы провара, например в угловых швах, первом слое многослойного стыкового шва, односторонних швах с пол­ ным проваром кромок, когда содержание углерода приближа­ ется к верхнему пределу (0,22—0,25 %) •

Сосуды и аппараты и их элементы из углеродистых и низко­ легированных сталей, изготовленные с применением сварки, штамповки, вальцовки в соответствии с ОСТ 291—81, подле­ жат обязательной термообработке — высокому отпуску, если: а) толщина стенки цилиндрической или конической части днища, фланца или патрубка сосуда в месте их сварного соеди­ нения более 36 мм для углеродистых сталей и более 30 мм для низколегированных марганцовистых сталей; б) они предназна­ чены для эксплуатации в средах, вызывающих коррозионное растрескивание.

7.5.1. Ручная сварка

Требования к конструктивным элементам и геометрическим размерам сварных швов регламентируются ГОСТ 5264—80.

Для сварки углеродистых сталей применяют электроды ти­ пов Э42 и Э46. Наиболее широко используют электроды типа Э46Т с рутиловым покрытием из-за высокой технологичности и хороших гигиенических показателей. При сварке низкоуглеро­ дистых сталей электродами АНО-3, АНО-4, МР-1, МР-3 этого типа обеспечивается следующий уровень механических свойств металла шва: от^380 МПа; ов^480 МПа; 6 ^ 2 5 % ; ф ^65% ; КСU3*1,5 МДж/м2.

При необходимости обеспечить наряду с другими показате­ лями достаточную сопротивляемость металла шва образованию горячих трещин рекомендуется использовать электроды с фто­ ристокальциевым покрытием типа Э42А марки УОНИ 13/45, предназначенные для сварки на постоянном токе обратной по­ лярности.

7.5.2. Сварка под флюсом

Конструктивные элементы подготовки кромок и размеры свар­ ных швов регламентируются ГОСТ 8713—79.

Необходимый уровень механических и технологических свойств сварных соединений достигается при использовании в качестве сварочных проволок Св-08, Св-08А, Св-08ГА и Св10ГА в сочетании с высококремнистыми флюсами АН-348-А, ОСЦ-45. При этом удается реализовать такое преимущество данного вида сварки, как возможность обеспечить получение швов с глубоким проплавлением за один проход без разделки кромок. Увеличение при этом доли участия основного металла в металле шва не снижает технологической прочности швов вследствие пониженного содержания в них углерода. Возможно применение сварки с полным проплавлением металла с форми­ рованием обратной стороны шва на флюсовой подушке или флюсомедной подкладке.

При сварке проката толщиной до 3 мм применяют свароч­ ную проволоку диаметром 3 мм. При этом сила сварочного тока / = 80-М 50 А. Двустороннюю сварку проката толщиной от 10 до 40 мм осуществляют сварочной проволокой диамет­ ром 5 мм. С увеличением толщины свариваемого проката силу сварочного тока увеличивают от 650 до 1200 А, напряжение — от 34—38 до 40—40 В для переменного тока и от 30—32 до 32—36 В для постоянного тока (обратная полярность). Ско­ рость сварки при этом снижают с 32—34 до 12—14 м/ч. Ука­ занные режимы относятся к условиям сварки под флюсом на флюсовой подушке. Для увеличения производительности про­ цесса сварки может быть использована технология сварки с до­ полнительным гранулированным присадочным материалом (ДГПМ).

7.5.3. Электрошлаковая сварка

Конструктивные элементы подготовки кромок и размеры швов Регламентируются ГОСТ 1564—79.

Преимущества электрошлакового процесса по производи­ тельности и качеству сварных соединений особенно ощутимы при сварке проката большой толщины, как правило, более 30—-40 мм. Равнопрочность сварных соединений обеспечива­

в условиях замедленного охлаждения сопровождается возник­ новением видманштеттовой структуры с пониженной ударной вцзкостью по сравнению с основным металлом.

Электрошлаковые сварные соединения стали 20К толщиной

ответственно 0,42 и 0,24 МДж/м2, а процент волокнистой со­ ставляющей в изломе В=30 и 5%. В околошовном участке

KCU=0,7KCU-20=0,27 МДж/м2; В= 30 и 5 %.

Для повышения показателей ударной вязкости электрошла­ ковые сварные соединения подвергаются последующей или со­ путствующей высокотемпературной обработке — нормализации, после которой осуществляют высокий отпуск для снятия сва­ рочных напряжений, если толщина проката превышает 36 мм.

При выполнении нормализации температура печи при по­ садке сварных изделий, аппаратов или их узлов должна быть не более 250—300 °С, скорость нагрева не должна превышать 100—150 °С/ч. Охлаждение — на спокойном воздухе.

При проведении последующего отпуска температура печи при посадке и скорость нагрева изделий такие же, как и при нормализации. Температура при выгрузке — не более 300 °С.

Температура нагрева при нормализации сварных изделий из углеродистых сталей типа СтЗ, 10К, 20К составляет 910— 920 °С, а при высоком отпуске 650± 10 °С.

Время выдержки при нормализации 1—1,5 мин на 1 мм тол­ щины проката. При высоком отпуске время выдержки выбйрается из расчета 2—3 мин на 1 мм толщины проката. После ох­ лаждения на спокойном воздухе структура металла шва и ЗТВ — феррито-перлитная. Структура сварных соединений ха­ рактеризуется высокой степенью дисперсности.

7.5.4. Сварка с регулируемым термическим циклом

С целью повышения эффективности применения электрошлаковой технологии за счет исключения необходимости примене­ ния последующей высокотемпературной обработки электрошлаковых сварных соединений предложены такие технологические способы регулирования структуры и свойств, как использова­ ние дополнительного гранулированного присадочного металла

в сварочную ванну, дозирование мощности, сужение сварочного зазора (УЗ), модулирование сварочного тока (МТ), принуди­ тельное сопутствующее охлаждение (ПСО) в процессе сварки [2]. Как показано в работе [3], среди этих методов только со­ путствующее охлаждение или сочетание с ним других методов позволяют обеспечить высокую дисперсность и однородность структуры и повысить ударную вязкость при низких темпера-

турах до уровня, при котором отпадает необходимость в вы­ полнении последующей нормализации.

Например, в состоянии после ЭШС с сопутствующим ох­ лаждением и последующим отпуском при 620 °С значения KCU-20 металла шва и околошовного участка ЗТВ сварных со­ единений стали 20К толщиной 100 мм превышают 0,4 МДж/м2. Отмеченное достигается как за счет ограничения роста зерна аустенита в 1,5—2 раза по сравнению с ЭШС по общепринятой технологии, так и повышения дисперсности действительного зерна феррита при одновременном сокращении в составе струк­ туры ферритной составляющей.

Длительность охлаждения те-s при ЭШС с регулированием термических циклов (РТЦ) зависит при прочих равных усло­ виях от схемы, интенсивности, площади и места отвода тепла относительно шлаковой и металлической ванн. Для определе­ ния реализуемых значений те-s с целью сопоставления их с до­ пустимыми можно воспользоваться номограммой, представлен­ ной в работе [3].

Данные, представленные в табл. 7.2, иллюстрируют влия­ ние различных видов последующей термообработки на изме­ нение стандартных показателей механических свойств и трещиностойкость металла шва электрошлаковых сварных соеди­ нений низкоуглеродистой стали.

Параметры трещиностойкости (Kic, dl/dN) определены рас­ четным путем с использованием данных по стандартным пока­ зателям механических свойств ( с г о , 2 . с г » , ф ) с применением спе­ циальной программы и персональной ЭВМ типа ЕС-1840.

Как видно из табл. 7.2, применение нормализации способ­ ствует существенному повышению показателей ударной вязко­ сти и циклической трещиностойкости металла шва электрошлаковых сварных соединений.

Если при сварке обеспечить интенсивность охлаждения, пред­ отвращающую или ограничивающую появление перлитной соста'вляющей в структуре металлашва и ЗТВ, то сварку можно осуществлять без применения последующей высокотемператур­

с ПСО; и — по общепринятой технологии; к, л — двухпроходная ЭШС, причем к — с ПСО, м — трехпроходная ЭШС.

Переход от однопроходной к двухили трехпроходной ЭШС позволяет обеспечить эффект термического воздействия и нор­ мализацию металла шва и зоны термического влияния, обра­ зованных при предыдущем проходе, и за счет этого сущест­ венно’ повысить ударную вязкость электрошлаковых сварных соединений.

На рис. 7.2 проведена пунктирная линия, соответствующая стали А(20К), у которой значение тп = 27 с. Как видно из рис. 7.2, при толщине проката этой стали до 36 мм рекоменду­ ется применять АДС с ПСО, при толщине 36—45 мм — ЭШС с ПСО, при толщине от 45 до 200 мм — двухпроходную ЭШС с ПСО, а при толщине более 200 мм — трехпроходную ЭШС.

Разработанный пакет программ позволяет решать задачу выбора рациональной технологии сварки в диалоговом режиме с помощью ЭВМ.

сталям. В последние годы расширяется производство и применение рафини­ рованных посредством электрошлакового, вакуумного переплава сталей, об­ работанных в ковше синтетическими шлаками с целью снижения содержания серь» в их составе для повышения сопротивляемости образованию слоистых (ламинарных) трещин.

8.3. Механические свойства сталей

Введение в состав низкоуглеродистых сталей легирующих элементов (до 2 % каждого и до 5 % суммарно) способствует повышению прочности и сопротивления хрупкому разрушению, не ухудшая их свариваемости.

Прочность сталей. Показатели механических свойств сталей представ­ лены в табл. 8.1.

Они характерны для проката в горячекатаном либо в нормализованном состояниях. Термическое упрочнение позволяет дополнительно на 20—50 % увеличить уровень показателей прочности.

У д арн ая вязкость. По ударной вязкости, в особенности при отрицатель­ ных температурах, -низколегированные стали превосходят низкоуглеристые стали. Термическое упрочнение позволяет повысить уровень ударной вязко­ сти в 1,5—2 раза и обеспечить высокую сопротивляемость хрупкому разру­ шению низколегированных сталей.

8.4. Свариваемость сталей

Легирующие элементы оказывают существенное влияние на показатели свариваемости сталей. Увеличение содержания эле­ ментов, повышающих закаливаемость, сопровождается сниже­ нием сопротивления сварных соединений образованию холод­ ных трещин [1]. Элементы, упрочняющие твердый раствор, спо­ собствуют, как правило, снижению ударной вязкости металла в околошовном участке ЗТВ сварных соединений.

8.4.1. Типы структур в зоне термического влияния

Наиболее распространенные в металлургической практике ле­ гирующие элементы Мп, Сг, Мо снижают диффузионную под­ вижность С и, как следствие, увеличивают уровень значений характеристических длительностей тф, тп, Тб, понижают темпе­ ратурный интервал у->а-превращения. Поэтому при общепри­ нятых режимах сварки в околошовном участке возрастает ве­ роятность образования мартенсита и понижается сопротивляе­ мость сварных соединений образованию холодных трещин.

8.4.2. Влияние легирующих элементов

Мп упрочняет феррит, снижает температуру начала у->а-пре- вращения, способствует процессу карбидообразования. Сг и Мо существенно снижают критическую скорость охлаждения, по­ давляют перлитное превращение, расширяют область проме­ жуточных превращений на диаграмме.

Такие элемеп?**’ как А1> Ti’ Nbинтенсифицируют процесс у-^а-превращенИ*1 ПРИ высоких температурах, способствуя уве­ личению числа Центров кристаллизации и получению мелко­

зернистой структуРы-

8.4.3. Выбор теплой* режимов сварки

Одним из технол0гических средств, снижающих вероятность по­ явления холодных трещин, является предварительный и сопут­

ствующий Подогрб0 Ш- Для определен1151 темпеРатУРЫ подогрева стали с целью

предотвращения образования холодных трещин в зависимости

в работе [3], позволяет дифференцированно определять условия' подогрева для корневых и заполняющих швов в соответствии с номограммой, представленной на рис. 8.2.

Методика пользования номограммой на примере сварки кор­ невого шва стали толщиной 30 мм при значении тока 250 А, напряжении дуги 25 В, скорости сварки 25 см/мин представ­ лена ниже:

Восстанавливаем перпендикуляр из точки а, соответствующей 7=250 А, до пересечения с прямой, соответствующей напряжению 25 В, и получаем

После этого опускаем перпендикуляр из точки в до пересечения с кривой, соответствующей толщине проката 30 мм, и получаем точку г; затем про­ водим горизонталь г — д до пересечения с прямой 7, соответствующей усло­ виям сварки корневого шва в квадранте IV , восстанавливаем перпендикуляр из точки <? и в точке е определяем температуру подогрева, соответствую­ щую 150 °С.